Физики объяснили капиллярный эффект в твердых телах

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

, 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.
Научное издательство Microbiology Society приостановило публикацию статей из России

Британское Микробиологическое общество (Microbiology Society), которое выпускает пять научных журналов, объявило, что останавливает работу со статьями, при подготовке которых использовалось российское бюджетное финансирование или с участием авторов, аффилированных с организациями, публично поддержавшими боевые действия на территории Украины. Эта пауза продлится до момента, когда украинские микробиологи смогут безопасно продолжить работу, говорится в заявлении совета общества.