Bu sabah tahıl yedin mi? Yoksa çakıl yolunda mı yürüdünüz? Belki bir baş ağrınız vardı ve bir hap almak zorunda kaldınız? Bu sorulardan herhangi birini evet ile cevapladıysanız, bugün ayrıntılı bir sistemle etkileşime girdiniz.
Bilim adamları, kabarık pirinç, kum taneleri veya haplar gibi küçük, sert parçacıkların herhangi bir koleksiyonunu ayrıntılı bir sistem olarak sınıflandırır.
Herkes bu tür sistemlerle etkileşime girmiş olsa da, parçacıkların birbirine yakın olduklarında toplu olarak nasıl davrandığının fiziğini tanımlamak şaşırtıcı derecede zordur.
Granüler sistemler bazen bir sıvı gibi hareket eder. Çok tipik granüler bir malzeme olan kumun camın yarısından diğerine aktığı bir kum saati düşünün. Ancak bir plajda koşuyorsanız, kumun katı gibi davranabileceğini biliyorsunuz. Kumdan batmadan üzerinde hareket edebilirsiniz.
Bir jeolog olarak, granüler bir sistemin ne zaman aktığını ve ne zaman gücüne sahip olduğunu ve katı gibi davrandığını anlamakla ilgileniyorum. Bu araştırma çizgisi, mısır çekirdeği veya hapların bir boru hattında veya olukta hareket ettirilmesi gibi birçok tarımsal ve endüstriyel uygulama için çok önemlidir.
Granüler bir sistemin ne zaman akabileceğini anlamak, jeolojik tehlike değerlendirmeleri için de gereklidir. Örneğin, jeologlar bir dağın eğimini oluşturan çeşitli kayaların istikrarlı olup olmadığını veya bir kaya kayması olarak hareket edip etmeyeceklerini bilmek istiyorlar.
Tahıllar arasında kuvvetlerin aktarılması
Granüler bir sistemin davranışını anlamak için, bilim adamları yakınlaştırabilir ve bireysel tahıllar arasındaki etkileşimlere bakabilirler. İki parçacık birbiriyle temas halindeyken, güçleri birbirine aktarabilirler.
Bu senaryoyu hayal edin: üç tenis topunuz var – bu deneydeki tahıllar. Tenis toplarını arka arkaya yerleştirirsiniz ve eliniz ve bir duvar arasındaki üç topu sıkarsınız, böylece eliniz ilk topa basar. Son top bir duvarla temas halindedir, ancak orta top serbest yüzer ve sadece diğer iki topa dokunur.
İlk topa doğru iterek, sadece ilk topa dokunmuş olsanız bile, kuvveti üç tenis topu sırasından duvara başarıyla aktardınız.
Şimdi bir kum yığınında olduğu gibi birçok tahılınız olduğunu ve tüm kum taneleri bazı komşu tanelerle temas halinde olduğunu hayal edin. Transfer kuvvetlerine dokunan tahıllar birbirleri arasında. Kuvvetlerin bu ayrıntılı sistemde nasıl dağıtıldığı, sistemin kararlı ve hareketsiz olup olmadığını veya bir kum saatindeki kaya kayması veya kum gibi hareket edip etmeyeceğini belirler.
Laboratuarda İzleme Kuvvetleri
Araştırma ekibimin devreye girdiği yer burası. Öğrencilerimle birlikte tahılların laboratuvarda birbirleriyle nasıl etkileşime girdiğini araştırıyorum.
Deneylerimizde, taneli bir sistemdeki tek tek taneler arasındaki kuvvetleri görselleştirebiliriz. Tüm taneli sistemler bu kuvvetleri mevcut olsa da, dağılımlarını göremeyiz çünkü kuvvet kum veya haplar gibi çoğu tanede görünmezdir. Kuvvetleri sadece bazı şeffaf malzemelerde görebiliriz.
Kuvvetleri görünür kılmak için, şeffaf ve fotoelastisite adı verilen özel bir özelliğe sahip bir malzeme kullanarak tahıllar yaptık. Fotoelastik malzemeler aydınlatıldığında ve kuvvet yaşadığında, ışığı farklı hızlarda hareket eden iki ışına bölünürler.
Bu özellik, kuvveti görünür kılan şeffaf malzemede parlak, renkli bantlar oluşturur. Tahılların parlaklığı, bir tahılın ne kadar kuvvet yaşadığına bağlıdır, böylece kuvvetlerin granüler sistemde nasıl dağıtıldığını görebiliriz. Parçacıkların kendileri ışık yaymazlar, ancak ışık ışınlarının güç yaşadıklarında ne kadar hızlı hareket ettiğini değiştirirler – bu da onları daha parlak görünür.
Önümüzdeki bilim adamları, taneli malzemelerde gücü görselleştirmek için fotoelastisiteyi kullandılar. Bununla birlikte, bu önceki deneyler sadece tek bir tahıl tabakasını incelemiştir. Kuvvetleri sadece tek bir tahıl tabakasında değil, bütün bir yığın boyunca görmek için bir yöntem geliştirdik.
Kuvvetleri tahıl yığınının dışındaki gözlemlemek oldukça kolaydır, ancak kuvvetlerin yığının ortasında nasıl dağıtıldığını görmek çok daha zordur. Granüler sistemin ortasını görmek ve orada taneleri aydınlatmak için bir lazer ışık tabakası kullandık.
Bir lazer ışık tabakası oluşturmak için, ışığın çok dar bir tabakaya yayılması için bir lazer ışını manipüle ettik.
Bu ışık tabakasıyla, taneli sistem boyunca bir dilim aydınlattık. Bu aydınlatılmış dilimde, üçüncü boyut hakkında endişelenmek zorunda kalmadan, hangi tanelerin önceki iki boyutlu deneylere benzer şekilde kuvvetleri aktardığını görebiliyorduk.
Daha sonra tahıl yığınının farklı kısımlarında birçok dilimden bilgi topladık. Üç boyutlu granüler sistemi yeniden yapılandırmak için tek tek dilimlerden gelen bilgileri kullandık.
Bu teknik, doktorların beynin ve diğer organların üç boyutlu şekillerini bir tıbbi BT tarayıcısı tarafından elde edilen iki boyutlu görüntülerden nasıl yeniden inşa ettiklerine benzer.
Mevcut deneylerimizde, sadece az sayıda tahıl kullanıyoruz – 107. Bu şekilde her bireysel taneyi takip edebilir ve bu yöntemin kuvvet dağılımını üç boyutta görmek için çalışıp çalışmadığını test edebiliriz. Bu 107 tane, yaklaşık 4 inç (10 santimetre) genişliğinde, uzunluğunda ve derin olan küp şekilli bir kutuyu doldurur.
Şimdiye kadar, deneysel yöntem iyi çalışıyor ve kuvvetin 107 tane arasında nasıl dağıtıldığını görebildik. Daha sonra, deney kurulumunu daha fazla tahıl içerecek şekilde genişletmeyi ve granüler sistemi – örneğin, çarparak ajite ettiğimizde kuvvetin nasıl değiştiğini keşfetmeyi planlıyoruz.
Bu yeni deneysel yaklaşım, taneli sistemleri daha iyi anlamamıza yardımcı olacak daha birçok deney için kapıyı açıyor. Bu sistemler her yerdedir ve çok basit görünse de, araştırmacılar hala nasıl davrandıklarını gerçekten anlamıyorlar.
