Физики объяснили капиллярный эффект в твердых телах

Моделирование капиллярного эффекта, возникающего при движении трубы в контейнере с частицами

Fengxian Fan et al. / Physical Review Letters, 2017

Международная группа ученых из Германии и Китая с помощью численного моделирования объяснила механизм капиллярного эффекта в мелкодисперсных сыпучих средах, таких, как песок. Исследование опубликовано в журнале Physical Review Letters.

Капиллярный эффект заключается в подъеме или опускании жидкости в узких каналах или пористых телах. Это происходит за счет того, что жидкость стремится смочить поверхность канала и подняться вверх, несмотря на силу притяжения. На этом эффекте основано множество бытовых явлений, таких, как впитывание жидкости с рук полотенцем, шариковая ручка, постоянно «подкачивающая» чернила из стержня и другие.

Похожий на капиллярный эффект можно наблюдать в мелкодисперсных сыпучих материалах, таких, как мелкий песок. При наличии вибрации такие материалы поднимаются вверх по капиллярам подобно жидкости. Долгое время оставалось неясным, каков механизм этого эффекта в сыпучих материалах.

Для того, чтобы выяснить это, ученые решили использовать высокоточное математическое моделирование. Исследователи создали виртуальный контейнер, заполненный сферическими частицами с диаметром 0,6 миллиметров. В центр контейнера помещалась трубка с диаметром восемь миллиметров. Затем симулировалось движение трубки вверх-вниз с частотой в несколько герц, в результате чего частицы поднимались вверх по трубке на высоту в несколько сантиметров, причем дальнейшее моделирование показало, что высота подъема (по сути, величина, аналогичная высоте подъема мениска в жидкостях) зависит от диаметра трубки по-разному. В одном случае зависимость аналогична таковой в жидкостях, и описывается формулой Жюрена. В другом она линейна, и такое поведение не встречается в жидкостях. Зависимость определялась соотношением размера трубки и размера частиц.

Ученые решили изменить условия моделирования и сделали стенки контейнера абсолютно гладкими и не вызывающими трения. В таких условиях капиллярный эффект не проявлялся. Проанализировав результаты, ученые сделали вывод, что эффект обусловлен гранулярной конвекцией, также известной, как эффект Бразильского ореха (если взять смесь сухофруктов и потрясти, более крупные орехи поднимутся наверх, а мелкие опустятся). Таким образом, эффект определяется трением, а не притяжением между самими частицами, как в жидкостях. Частицы, находящиеся возле стенок контейнера, двигаются вниз, тогда как частицы в центре двигаются вверх. Из-за этого создается давление, вынуждающее частицы подниматься по трубке.

Ученые считают, что этот эффект можно использовать для создания необычного насоса, способного собирать частицы без создания градиента давления, как происходит в традиционных насосах.

Недавно итальянские ученые создали молекулярную шестеренку на основе капиллярного эффекта.

Григорий Копиев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.