ДАРЕМ, Северная Каролина - Исследователи из Университета Дьюка в ходе тщательных экспериментов показали, что не все песочные кучи одинаковы. Давление при некоторых является самым высоким в их центрах. Но напряжения под другими смещаются наружу подобно нагрузкам, переносимым со стен некоторых средневековых соборов.
Все зависит от того, как формируются песчаные кучи, и главный посыл заключается в том, что «небольшие изменения в истории подготовки имеют чрезвычайно драматический эффект», - сказал Роберт Берингер, профессор физики из Университета Герцога.
Эти эксперименты, которые были поддержаны Национальным научным фондом, имеют практическое значение, потому что несбалансированное распределение напряжений может привести к саморазрушению конструкций, таких как угольные и зерновые силосы, сказал он. Уголь, как и песок, представляет собой гранулированный материал, класс, который включает в себя такие разнообразные объекты, как хлопья для завтрака и кристаллы льда.
Берингер, который недавно стал заведующим кафедрой физики Дьюка, долгое время занимался исследованием сыпучих материалов, которые считаются почти отдельным состоянием материи, поскольку они обладают свойствами как твердых, так и жидких тел.
В отчете, опубликованном в выпуске журнала Physical Review E от 1 ноября, Берингер, его аспирант Дэниел Хауэлл, сотрудники из Франции и Даль Кларк, в то время учащийся средней школы в Школе Северной Каролины Математика и естественные науки, который сейчас учится в Университете Дьюка, обнаружил, что песок, беспрепятственно вытекающий из воронок, образует груды с лежащим в их основе «провалом» давления там, где, по логике, этого быть не должно.
Вопреки тому, что подсказывает интуиция, наибольшие напряжения не концентрируются под самыми центрами этих свай, а смещаются в окружающую зону на некотором расстоянии.
Картина меняется на противоположную, когда песок выливается «дождем» в обычно распределенных ливнях, вместо того, чтобы изливаться концентрированным гранулированным потоком. Тогда образовавшиеся кучи песка не переносят свои напряжения из центра, а концентрируют их там, как и подсказывает разум.
Эти эксперименты, проведенные в сотрудничестве с французскими исследователями Лоиком Ванелем и Эриком Клеманом, позволили решить споры, бушующие среди ученых, изучающих поток гранулированных материалов.
«Было много очень сильных слов, которые летали туда-сюда», - сказал Берингер в интервью. «Люди спорили на публичных собраниях, очень громко заявляя о качестве моделей друг друга».
Когда математические модели и эксперименты некоторых физиков начали показывать, что кучи песка могут концентрировать свои напряжения вне центра, научные скептики поспешили возразить. По словам Берингера, недоброжелатели обвинили в этих результатах тонкие дефекты в том, как были построены экспериментальные песочницы. Другой возможностью была неточность детектора стресса.
Экспериментаторы из Duke присоединились к другим экспериментаторам из Университета Пьера и Марии Кюри в Париже, чтобы развеять противоречия, разработав новые тесты, которые были особенно точными.
Они строят песочницы двумя разными способами. В одном из узких отверстий на дне конусообразных и клиновидных воронок вытекал песок. В другом случае песок распределялся более широко, высыпаясь через дополнительные сита.
Они также приложили особые усилия, чтобы поддерживать постоянную энергию падающего песка, поднимая высоту каждой воронки и сита по мере того, как песок становился выше. И замерили напряжения в разных местах под сваями, используя датчики разной толщины.
Их результаты были последовательными. Песок, высыпавшийся непосредственно из устьев воронок, всегда образовывал кучи с нецентральными напряжениями. А вот песок, потоки которого просеялись решетами, - нет.
Чтобы выяснить, почему, исследователи также построили тонкие «двухмерные» версии экспериментов из прозрачного пластика и картона. Таким образом, они могли наблюдать, что составляет поперечное сечение обоих типов песочных отложений.
Но вместо песка экспериментаторы заменили специальные гибкие «фотоупругие» диски, которые по-разному воздействуют на свет в ответ на давление и, таким образом, как бы светятся. Таким образом, пропуская сквозь них свет, они могли наблюдать, где формируются напряжения внутри растущих двумерных груд дисков.
Каждый диск, который светился, представлял собой песчинку, которая несла больше напряжений, чем другие. Светящиеся диски соединились в сеть «цепей стресса», которые при таком освещении выглядят как зазубренные молнии. По словам Берингера, сравнив результаты, исследователи обнаружили, что цепочки напряжений внутри двух разных видов песчаных куч формируют разные модели.
Он и Хауэлл ранее сообщали о своих исследованиях цепей стресса на встрече Американского физического общества в марте 1998 года.
«Если вы высыпаете зерна прямо из воронки, они лавинообразно падают на поверхность, и это создает цепочки напряжений, которые выровнены почти как контрфорсы», - добавил он, указывая на фотографию парижского Нотр- Собор Дамы на стене его офиса.
Аркадные контрфорсы - это изогнутые конструкции, которые передают часть нагрузок на стены таких соборов на землю на некотором расстоянии от центра. А в случае с воронкообразными кучами из песка «вы буквально строите подобные арки в гранулированном материале», - сказал он.
Напротив, «если вместо этого вы высыпаете песок через сито, вы не создаете эти наклонные наружу арки», - отметил он.«Все сложено прямо вверх и вниз, как в большой массивной стене. Таким образом, сила в любом данном месте будет определяться тем, сколько материала находится прямо над головой». Это означает, что самое высокое давление находится под центральным пиком.