物理学家终于可以解释沙漏中的沙子是如何突然停止流动的

几十年前的数学可能最终解释了物质“怪球”的一些特征：颗粒状材料有时表现得像固体，有时像液体一样流动。

听起来很奇怪，想想沙漏里的沙子与海滩上的沙子相比。慢慢地倒入收缩，沙子——或米饭，或咖啡——将自由流动。足够快地漏斗相同的材料或用力踩在上面，它的颗粒通常会卡住，从流动状态折断成固体状。

为了避免在需要平缓流动的地方突然堵塞，我们需要了解这种突然转变是如何以及何时发生的。两位美国物理学家现在认为，他们已经找到了一种方法来描述接近“干扰点”的颗粒材料的行为。

“流动的颗粒物质在低密度下被'卡住'并停止流动的趋势是一个实际问题，它限制了颗粒材料工业用途的流速，”加利福尼亚大学的Onuttom Narayan和俄亥俄州凯斯西储大学的Harsh Mathur说。在他们发表的论文中解释.

当您考虑到它涉及农业、制药和建筑等不同行业的各种材料时，这个问题变得越来越复杂。我们谈论的是将颗粒压成颗粒以制造药丸，加工谷物，以及在土木工程中预测不同沉积物的行为我们的建筑物可能被锚定在.

在他们的模拟中，Narayan 和 Mathur 使用了其他研究人员从实验室中研究无摩擦聚苯乙烯珠包中收集的数值数据。两人将他们对接近干扰点的珠子的模拟与对数学分支的预测进行了比较1950年代开发叫随机矩阵理论.

具体来说，Narayan 和 Mathur 正在研究珠包内的振动。虽然它因批次而异，但珠子以特定频率振动，从而产生振动频率的“频谱”。

换句话说，颗粒材料只允许某些振动频率通过它传播——物理学家将这种特性称为系统的状态密度.

其他研究人员有尝试学习这些振动态的分布如何在接近干扰点的颗粒材料中演变，其中粒子在被卡住之前挤在一起。

这个问题适合于随机矩阵理论，可用于描述具有许多随机变量的物理系统。但是，如果不将计算与珠子本身的数值数据进行比较，早期的研究就无法区分随机矩阵理论的不同“风格”，这些理论可以解释颗粒材料中的振动。

在这些研究人员的不足之处，纳拉扬和马图尔取得了成功：他们对数值模拟和理论预测的比较表明统计概率的特定分布，称为Wishart-Laguerre乐团“正确地再现了卡住颗粒物质的普遍统计特性。”

关键的观察，他们说，认识到当珠子相互碰撞时，它们会像弹簧一样压缩和反冲，因此两个珠子的轻微接触会产生相当大的力。

更重要的是，两人还开发了一个模型，该模型设法描述了当颗粒材料不移动时，珠子靠近干扰点和远离干扰点的特性。

“相同的模型能够再现颗粒物质的静态和振动特性，这表明它可能更广泛地适用于提供对颗粒物质物理学的统一理解，”Narayan和Mathur说结束.

该研究已发表在欧洲物理杂志 E.

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