Bir yönde akan sıradan kum, kayalar veya kar gibi görünen şey aslında yüzeyin altında birden fazla yönde hareket eden dönen akımları gizleyebilir.
Tahıllar bir heyelanda hareket ettiğinde, çoğu en dik yokuş aşağı yolu takip eder. Bu, partiküllerin sürüyü büyük ölçüde takip ettiği “birincil akış” dır. Ancak bazı tahıllar yanlara doğru hareket eder veya gizli desenlerde girdap, malzemenin ne kadar ileri ve hızlı seyahat ettiğini ustaca etkileyen “ikincil akışlar” oluşturur.
Tahılların yüzeyin altında nasıl hareket ettiğini anlamak, çığ ve heyelanların fiziğini açıklamaya yardımcı olabilir ve hatta farmasötiklerde silolarda buğday veya tozlar gibi günlük malzemeleri nasıl ele aldığımızı iyileştirebilir.
Ancak, kimse bu gizli girdapları gözlemleyemedi – şimdi. Yayınlanan bir çalışmada Doğa İletişimi Bugün, gelişmiş X-ışını görüntüleme kurulumumuzla ilk kez taneli malzemeler içinde ikincil akışları yakaladık.
Buldozlama deneyi
Bu ikincil akışların var olduğu fikri yeni değil. Araştırmacılar, bu gizli hareketleri, dönen silindirler arasındaki veya her parçacığın hareketini temel fizik yasalarını kullanarak modelleyen heyelanlar arasındaki güçlü tahıl simülasyonlarında gördüler. Ama bu onları incelemenin tamamen teorik bir yolu.
Kum, kar veya benzeri gibi gerçek granüler malzemelerdeki akışları gözlemlemek neredeyse imkansızdı. Akışın içine bakmak için, ya standart X-ışını taramaları için taneleri durdurmaya devam etmeniz veya onları görmelerini sağlayan bir sıvı eklemeniz gerekir. Ne yazık ki, her iki yaklaşım da tanelerin doğal olarak davranma şeklini değiştirir.
Bir konveyör bandının taneleri bir duvara ittiği ve yığılmasına neden olan bir buldozer deneyinde cam boncukların (bir laboratuvar ayarı için mükemmel bir granüler malzeme) akışını incelemeye başladık.
Laboratuarımızda, hareketli tanelerin üç boyutlu görüntülerini çekebilen X-ışını reografisi adı verilen tamamen yeni bir yöntem geliştirdik. Dynamix olarak adlandırılan bu kurulum, yüzeyin altında neler olduğunu görmemizi sağlar.
Sürprizimize göre, test, daha önceki çalışmaların gizli ikincil akışlarla bağlantılı olduğu yüzeydeki dalgalanmalar ortaya çıktı.
Bu akışlar, hareketi durdurmadan veya malzemeyi sıvı ile değiştirmeden üç boyutta doğrudan gözlemlenmemişti.
Cam boncukların hareketini bozmadan bu gizli akımları hareket halinde izleyebiliriz. Yine de karmaşık geometri, birincil yön olarak konveyör bandı boyunca akışın büyüklüğünü sadece bir yönde yakalayabileceğimiz ve üç boyutlu resmin geri kalanını eksik bırakabileceğimiz anlamına geliyordu.
Altında ne keşfettik
İkincil akışları gerçekten tespit etmek için, tahılları Dynamix ile izlemekten daha da ileri gittik.
Akışan yığın yüzeyini X-ışını görüntülerinden haritalamak için başka bir X-ışını yöntemi geliştirdik, üstteki küçük dalgalanmaları altındaki dönen harekete bağladık. Ayrıca, tahılların yan hareketler de dahil olmak üzere kazığın tam derinliğinde nasıl hareket ettiğini ölçtük.
Ana akış aynı yönde gider. Dolayısıyla, tespit ettiğimiz yan hareketler ikincil akışların ilk doğrudan deneysel kanıtıdır.
Bu gizli akışların içine bakarak, taneli malzemelerin şaşırtıcı çok yönlülüğünü ortaya koyuyoruz. Binaları destekleyen veya karmaşık iç akımlara sahip karmaşık sıvılar gibi katılar gibi davranabilirler.
Swirling hareketleri yaygındır
Doğrudan toprak kaymaları okumamış olsak da, buldozer parçacıklar üzerindeki deneylerimiz önemli bir şey ortaya koyuyor.
Artık partiküller itildiğinde ikincil akışların, örneğin kar yağışı veya tarımda tahılları hareket ettirirken olduğu gibi oyunda olduğunu biliyoruz. Gözlemlediğimiz dönen hareketler, karmaşık parçacık akışlarında her yerde bulunur.
Bu toprak kaymaları için ne anlama geliyor? Bizimki gibi ayrıntılı deneyler, matematiksel modelleri doğrulamak ve geliştirmek için kullanılabilecek önemli veriler sağlar. Mevcut modeller genellikle ikincil akışları görmezden gelir ve bunları tahmin edemez.
Çalışmamız gelecekteki modelleme için deneysel temel sunmaktadır. Bu ikincil akışların anlaşılması ve modellenmesi, mühendislerin şu anda hafife alınmış olan püskürtmeler de dahil olmak üzere heyelanların yıkıcı gücünü daha iyi tahmin etmelerine yardımcı olabilir.
Ayrıca farmasötiklerdeki toz taşımasından kar temizlemesine ve ötesine kadar endüstriyel süreçleri de geliştirebilir.
Sonuçlarımız buldozlanmış tahıllara özgü olmakla birlikte, daha geniş bir prensibe işaret ederler – saniye akışları, gerçekçi bir taneli davranış modelinde dikkate alınması gereken parçacık hareketinin temel bir özelliğidir.
Herhangi bir hareketli tahıl yığınının yüzeyinin altında, gizli dönen akımlar akışı şekillendiriyor. Bu hareketleri tanımak, çığlardan endüstriyel parçacık kullanmaya kadar her şeyi anlamanın anahtarıdır.
