Granular materials and force chains

Гранулярные материалы и цепи силы

В начале месяца, как я уже писал, довелось попасть на специальный курс, посвященный дискретной механике геоматериалов. Физика гранулярных материалов, вроде песка или щебня, на первый взгляд кажется мало загадочной и не особо сложной темой. Но это довольно глубокое заблуждение.

Сыпучие материалы задействованы в гигантской доле промышленности мира, начиная от переработки зерновых культур или орехов и заканчивая техническими вопросами откачки нефти из различных типов геологических отложений, или эволюцией пояса астеройдов. Эффективный транспорт или перемолка некоторых материалов имеют огромное энергетическое и экономическое значение. После воды, гранулярные материалы это самые задействованные вещества в промышленности (П. Ричард). В то же время эоловые процессы переносят несметные количества песка по поверхности земли, а реки и волны формируют новые формы рельефа в результате взаимодействия жидкости и твердых частиц. Все сложности рождаются из простейшего взаимодействия гранул. С одной стороны коллективное поведение частиц может напоминать твердое тело, а с другой, при приложении дополнительной силы или изменении каких-то условий - жидкость или даже газ. При этом ни первое, ни второе, ни третье не верно и не подходит для описания законов контролирующих гранулярные материалы.

Здесь фото классического примера гранулярного материала - простой песок, хотя ничего простого...

Мой давний микроснимок песка с пляжа в Ниигате, Япония (2008).

Часть практических занятий упомянутой летней школы была посвящена специальному программному обеспечению Yade, рожденному в результате работы ученых и студентов Университета Гренобля и в настоящий момент развиваемому большим международным коллективом. Программа позволяет работать с очень широким спектром научных и практических проблем. Здесь несколько картинок с примером простых свойств.

Окно визуализации программы.

Ансамбль эластичных шариков разного диаметра, находящийся под давлением окружающих стенок.

Одно из удивительных, крайне важных свойств гранулярных материалов - это формирование цепей силы (force chains). Можно наивно предположить, что приложив равномерное усилие на крышку коробки с частицами, все частицы будут нести одинаковую нагрузку, равномерно распределенную между всеми участниками ансамбля. Это совсем не так, т.к. в действительности процентов 60% частиц несут нагрузку вообще ниже средней. Остальное лежит на плечах частиц попавших в цепи силы, которые совершенно неравномерно пронизывают весь образец словно корни.

В качестве иллюстрации визу картинка - это тот же образец что и выше, но теперь мы видим лишь только распределение стресса между частицами и стенками, но не сами шарики. Видны плотные контакты, словно бы трубки, более тонкие и, наконец, просто пустоты, означающие то что какие-то частицы просто халтурят и никак не участвуют в общей работе.

Значение этого физического феномена можно спроецировать и на социальные институты, где тоже далеко не все несут на себе одинаковые обязанности равномерно возложенные на всех. Например, можно припомнить коммунизм. Можно увидеть что даже исправив первое заблуждение последнего (что все равны), невозможно добиться равномерного распределения нагрузки на все элемены одного большого целого. Хочешь-не хочешь, а неравномерности распределения силы это врожденное свойство дискретных материалов... Вот такой урок физики для старшекласников :)