Введение

Движение в гранулированном материале

Гранулированная конвекция – это явление, при котором гранулированный материал, подвергаемый встряске или вибрации, демонстрирует закономерности циркуляции, аналогичные типам конвекции жидкости. Это явление иногда называют «эффектом бразильского ореха», когда самые крупные частицы неправильной формы оказываются на поверхности гранулированного материала, содержащего смесь объектов разных размеров. Название происходит от примера типичной упаковки смешанных орехов, где самыми крупными являются бразильские орехи. Явление также известно как «эффект мюсли», поскольку наблюдается в пакетах завтрачных хлопьев, содержащих частицы разных размеров, но близкой плотности, например, в смеси мюсли. В экспериментальных условиях наблюдалась гранулированная конвекция частиц различных размеров, формирующая конвекционные ячейки, подобные движению жидкости.

Методы исследования

Гранулярная конвекция исследовалась с использованием магнитно-резонансной томографии (МРТ), позволяющей визуализировать конвекционные валы, аналогичные наблюдаемым в жидкостях (клеткам Бенара). В других исследованиях применялись последовательные компьютерные томографические сканы, жидкости с подобранным показателем преломления и метод прослеживания с помощью позитронного излучения.

Производство

Эффект представляет интерес для пищевой промышленности и смежных отраслей.

Астрономия

В астрономии это часто встречается в астероидах низкой плотности, или так называемых "рудничных куч", например, астероиды 25143 Итокава и 101955 Бенну.

Геология

В геологии эффект широко распространен в бывших ледниковых районах, таких как Новая Англия, и в районах вечной мерзлоты, где ландшафт формируется в бугры благодаря морозному пучению – каждый год на полях появляются новые камни из глубины почвы. Гораций Грили отмечал: «Выборка камней – это бесконечная работа на одной из ферм Новой Англии. Как бы тщательно ты ни выбирал, следующая вспашка вывернет новые валуны и гальку, размером от ореха гикори до чайника». Намек на причину этого явления содержится в его дальнейшем описании, что «эту работу следует выполнять в основном в марте или апреле, когда земля пропитана ледяной водой». Подземная вода замерзает, поднимая все частицы над собой. Когда вода начинает таять, более мелкие частицы оседают в образовавшихся пустотах, в то время как более крупные частицы остаются приподнятыми. К тому времени, когда лед перестает поддерживать крупные камни, они, по крайней мере частично, опираются на более мелкие частицы, осевшие под ними. Повторяющиеся циклы замораживания и оттаивания в течение года ускоряют этот процесс. Это явление является одной из причин обратной градации, которую можно наблюдать во многих ситуациях, включая сжижение грунта во время землетрясений или оползней. Сжижение – это общее явление, при котором смесь жидкости и зернистого материала, подвергаемая вибрации, в конечном итоге приводит к схемам циркуляции, аналогичным как конвекции жидкости, так и зернистой конвекции. Фактически, сжижение – это жидкостная зернистая конвекция со схемами циркуляции, известными как песчаные кипячения или песчаные вулканы при изучении сжижения грунта. Зернистая конвекция также проявляется в потоках обломков – это быстродвижущийся, сжиженный оползень рыхлых, насыщенных обломков, напоминающий текущий бетон. Эти потоки могут переносить материал размером от глины до валунов, включая древесные остатки, такие как бревна и пни. Потоки могут быть вызваны сильными дождями, таянием ледников или их сочетанием.