@ 2017.12.18 , 11:00

骰子与压实动力学

厨房里最稀松平常的技巧——把糖倒罐子里,如果没有倒完就装的满满,就先给糖罐拧上盖子,拍打几下盖子,这样罐子里就又有了多余的空间来盛剩下的白砂糖。

“压实动力学”就是专门研究类似这种现象的学问。它在工业中有很多用途,物理学家们一直在研究重力作用下尽可能高效地封装各种粒状材料的方法。如今事实表明,研究用的的最酷的材料是骰子——但是和通常使用骰子的方法有些出入。

骰子与压实动力学
Asencio et al., Phys Rev Lett 2017

为了研究大量的颗粒状材质堆在一起发生什么,我们先把所有的颗粒都设定为相同的立方体。西班牙和墨西哥的一组物理学家所幸直接使用塑料游戏骰子。试验中使用25000个骰子——常规的六个面六个数字,边长为半厘米(0.2英寸)。

物理学家将他们的骰子倒入一个直径为8.7厘米(3.4英寸)的透明圆筒里,以每秒一圈的速度旋转容器,搅拌它们——想象一下果汁机或打果泥机器一样的东西。注:严格来说,不应该用搅拌一词,因为没有伸进去一根小棒来搅动它。实际上单纯依靠离心力来翻动骰子。但是搅拌这个词在这里比较有形象感,容易领会精神

以前的工作表明,这种方法对于重新组织细长和“板状”颗粒是有效的,后者是物理学家称呼碎片物质用的术语。

搅动骰子时,研究人员注意到只有改变扭转方向时,骰子才会发生移动。

骰子与压实动力学
Asencio et al., Phys Rev Lett 2017

“值得注意的是,当角速度方向倒转时,系统就会受到干扰,并且骰子在剩余的旋转周期内会保持不动。”研究人员在报告中写道。

和预期的一样,立方体确实通过反复的搅拌变得更加紧密地结合在一起,不是以混乱的方式,而是整整齐齐的堆叠在一起。

在圆筒旋转三十万次以后,骰子排列成整齐的同心圆环。这个团队用一个较小的圆柱体再次重复了实验结果——这只是一个令人着迷的现象。

他们还通过改变旋转速度来调整强度——旋转速度越快,旋转切换时的造成的颠簸就越大。

同样于事先的估计相同,旋转角速度越缓,骰子从杂乱到整齐的所需的调节时间就越长。事实上,在最低强度的情况下,骰子几乎没有移动,研究人员假设,这可能需要“搅拌十年”才能达到骰子高效的整齐堆叠配置。

那么为什么骰子经过一系列搅拌会变得整齐呢?根据物理学家的说法,骰子的几个面不可避免地会随着剪切力的作用,将骰子的外表面向外推到容器的边缘。

而且他们指出,以这种方式安排立方体实际上比我们通过外力挤压来打包颗粒状物质更有效率。那是因为除非你用特定的方式敲击,否则材料永远都不会进入最密集的阵型。

“事实上,与通常的观察相反,不管外界施加的震动强度如何(只要足够大),系统都能达到相同的最终状态。”他们写道。

除了用来展示很酷的科学现象,这种骰子技巧或许会成为在低重力环境下处理封装粒状材料的操作基础,比如说在太空里。

目前,该团队正在准备在国际空间站上进行粒状材料的实验,老实说,我们迫不及待地想知道下面会发现什么。

这项研究发表在《物理评论快报》(Physics Review Letters)上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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