神奇的颗粒物质

1神奇的颗粒物质---与建立颗粒系统物理学相关的若干演示实验复旦大学物理系周鲁卫2011.7.26全国第10届物理演示实验研讨会年会，天津工业大学参考：陆坤权厚美英（物理所）胡林（贵州大学）黎璧賢（中央大学）21.什么是颗粒体系2.颗粒流-分离(分层；旋转鼓；自组织临界态)-斑图-疏松流和密集流–流体和固体堵塞3.颗粒气体-颗粒链-分离(熵力、排空效应)-分仓(马克斯韦妖)4.颗粒固体-粮仓效应-热力学-地震前兆5.小结31.什么是颗粒物质45特征：颗粒尺度m-104m势能mgd/KT~1012与温度无关相互作用(硬球，软球)重力,摩擦力，碰撞离散介质固，液，气，非线性体系能量耗散6为什么研究颗粒•颗粒物质是自然界存在最多的物质之一。当今颗粒物质的传输和积累要消耗全球总能量的10%；许多自然现象（沙尘暴、泥石流、雪崩、车辆流）都可以作为颗粒物质的相互作用与运动来处理；•化学工业一半产品，3/4原料是颗粒。•1.3%的电力用来磨细粒子、矿石。•每年山崩的颗粒至少造成15亿美元的财产损失，并引发25场灾难。•每年在北美洲，有超过1000台的竖井、储存库、碾米斗倒塌•在墨西哥，每年处理50万吨玉米，其中30%由于处理系统不当而丢失。•前沿：湿沙堆–浸润性7steepcliffdryavalancheModel2-WetsandPhotofrominternet8Z.Fournieretal.,Mechanicalpropertiesofwetgranularmaterials,J.Phys.:Cond.Matter17(2005)S477.Fluorescencemicroscopeimages:WatercontentsW=0.055%;nobridges;Allliquidresideswithintheroughnessoftheglasssurface.W=0.2%;capillarywaterbridges;wateralsointheroughness9“Magicsands”102.颗粒液体2.1颗粒流导致的分离a.Pinetree11Stratification(成层现象)ofmulti-componentmixturesSphericalglassbeads,0.15mm,26oreposeangleBluesand,0.4mm,35oreposeangleRedsugarcrystal,0.8mm,39oreposeangle12b.旋转鼓--颗粒混合和分离13颗粒的混合（分离）14•两种颗粒明显分离（大小或密度差别）•1.旋转—有颗粒形成的水平表面倾斜当表面倾斜角临界角—崩塌—流动•2.颗粒沿着原判的圆周移动到表面—系统达到一个稳定状态。•轴向的分离—没有人真正了解摩擦力在颗粒分离现象中扮演什么角色。•颗粒分离现象的物理机制—二维沙堆模型，当圆盘转速临界转速：颗粒分离（可用统计物理的相变理论来分析）•三维旋转圆柱：转数较慢时—径向分离；转速足够快时—轴向分离。摩擦扮演重要角色15SegregationinsuspensionsAsketchshowing(a)theCouettedeviceand(b)asuspensionbeingshearedintheCouettedevice.10%suspension(a)beforeshearingand(b)Aftershearing,withtheinnercylinderrotatingat9rpmwhentheCouetteisfilledupto95%oftheavailablegapvolume.16SegregationofsuspensionTime-dependentbandformation:15%suspension95%filllevelshearedat9rpmafter(a)1min.;(b)20min;(c)3h.15%suspension(a)50%filllevel(b)95%filllevel,shearedat9rpm.A15%suspensionatthe95%filllevelisshearedat(a)2.5rpm(b)9rpm.17FIG.3.Frontviewq-zplaneoftheobservedphasesinthebuoyantsystemupperimageswithincreasingw.Thedirectionofincreasingwismarkedbyalongarrow.Forcomparison,thecorrespondingphaseimagesforthesettlingsuspensionlowerimagesarealsoincluded.Allthefrontviewimagesweretakenusingbacklightinganddarkerregionshavemoreparticles;excepttheupperimageofCLwhichwastakenusingfrontlightingwithwhitecolorshowingtheparticleconcentratedregion.FromtoptobottomthephasesareaGB,F1,F2,andLT;bHR,SBs,LD,DB,andCL.Frontview-zplaneoftheobservedphasesinthebuoyantsystemupperimageswithincreasing.Thedirectionofincreasingismarkedbyalongarrow.Forcomparison,thecorrespondingphaseimagesforthesettlingsuspensionlowerimagesarealsoincluded.Allthefrontviewimagesweretakenusingbacklightinganddarkerregionshavemoreparticles;excepttheupperimageofCLwhichwastakenusingfrontlightingwithwhitecolorshowingtheparticleconcentratedregion.lowrotation-ratetransitionfingeringflowII;fingeringflowI;granularbed;18J.FluidMech.618,243(2009).J.FluidMech.597,233(2008);Phys.Fluids20,083301(2008).Frontlightingwithwhitecolorshowingmoreparticlesstablebandlocal-structuredropouthomogenousregionDiscontinuousbandingcentrifugallimitf=0.6219•TwoFlowsinoppositedirectioninapipe?Trafficflowinoppositedirection?体系由偏离平衡态回到平衡态的途径遵循什么规律？–能量耗散最小?•ElectrorheologicalfluidunderbothEfieldandshear--lamellarstucture•SandflowOnsager原理:耗散体系动力学受制于能量耗散最小的原理。TheOnsagerprinciple:Thedynamicsofthedissipativesystemsisgovernedbytheprincipleofminimumenergydissipation.Dynamic–awayfromEquilibrium–minimumdissipation20•Calculated4pg0/h(=2gs)vs.l/R(=2p/g)Theminimumdissipationoccursforabandwavelengthlm≈2.44R.thenormalizedbandwavelengthDissipationrate(Matson,SSC2006)21Macroscopictheoryproves•Onecannotfindl/D~0.1•norl/D~10•butalwaysl/D~1becauseonlythiscorrespondstotheminimumdissipation.22c.自组织临界态（self-organizedcriticality-SOC）•1987年Bak提出沙堆模型，沙堆倾角取决于沙子的大小和重力加速度，沙堆很快达到一个临界稳定态，然后平均来讲，加上的沙粒数等于落下的沙粒数，但是对添加沙子的响应却是随机的：•沙粒可固定在沙堆上，也可能引起小范围的重排和大面积的坍塌。•沙堆的形状和底盘相关：圆形、方形、长方形、任意多变型；•沙子是细的、均匀的、且只受地球引力作用。23captionsModel1-Sandflow-Addinggrains242.2颗粒流体--斑图颗粒物质的振动成堆和对流振动成堆的现象在一个装有颗粒的竖直振动的容器中，当振动加速度超过某一定域值时，沙堆表面呈现出倾斜或凸起等形状，称为振动成堆。当振动加速度和频率改变时，沙堆形貌随之变化。25Chladni模式•当在容器中志平铺了束层的颗粒时，颗粒将在底部的节点部分聚集。•如果容器的底部没有节点，上下振动使颗粒流体化，在表面产生不同的图像，如：条纹（Strip）正方阵（Square）等边六角形（Hexagons）26surfacewavesMelo,UmbanhowarandSwinney,PRL75,3838,1995;Nature382:793,1996d=0.15~0.18mmbronzesphere126mmcontainer,10~120Hzoscillon,26Hz,2.5g,17d22Hz,2.5g,4d47Hz,2.5g,4d67Hz,4g,7dlikealiquid3DPatternformation27振动下斑图的形成E.Clement等实验发现：二维体系中振动会形成峰峰结构；峰形的波长随振动频率升高而降低。282.3颗粒流--稀疏流和密集流交通流剧场和大楼的紧急出口交通流–陆坤权2930a.流体堵塞(Jamming)•颗粒在漏斗中流动•堵塞—“拱弧”—借助压力的传递，把整个颗粒流的压力变成一个定值。•D=5mm的金属圆盘在垂直方向流动•控制尺寸:d=D/R(圆盘直径D,漏斗宽度R)•d=2~5,颗粒流堵塞几率:约1减少到0。•弯拱—在漏斗的关闭有压力链支撑大多数重量中央大学黎壁贤P-Y.Lai,L.-C.JiaandC.K.Chan,Phys.Rev.Lett.79,4994(1997)L.-C.JiaandP-Y.LaiandC.K.Chan,Phys.Rev.Lett.83,3832(1999)K.To,P.-Y.LaiandH.K.Pak,Phys.Rev.Lett.85,71(2001)31Q0b.固体堵塞(Jamming)Howdodisorderedsolidslose/gaintheirsolidity?Bouchaudetal.LiuandNagelR.P.Behringer(DukeU)33带偏振片无偏振片仅紫外光照射J.Zhangetal.,GranularMatter,12(2010),159Measuringforcesbyphotoelasticity1/4波片和1/2波片解释在最后2段。波片：能使互相垂直的两光振动间产生附加光程差（或相位差）的光学器件。通常由具有精确厚度的石英、方解石或云母等双折射晶片做成，其光轴与晶片表面平行。以线偏振光垂直入射到晶片，其振动方向与晶片光轴夹θ角（θ≠0、），入射的光振动分解成垂直于光轴（o振动）和平行于光轴（e振动）两个分量，它们对应晶片中的o光和e光