Homok vulkánok a tudomány számára
Ismételt sokkoknak kitéve a szemcsés közegek, például finom homok vagy liszt, rendszeresen elosztott halmok mezőjévé alakulnak. A vulkánokhoz hasonlóan ezek a halmok is nem láva, hanem a felkavart homok által kiszorított gáz hatására dobják ki az anyagot a tetejükről.
Ezeket a homokszobrokat finom homokot tartalmazó dobozban kaptuk. Rendszeresen két helyen ütjük a doboz alját. A homok által felvett hegyi táj domborműveivel és medrével a „vulkán-effektus” származik, mely jelenségben a homok által kiszorított levegő akkor lép közbe, amikor a becsapódás hatására megugrik, majd leesik.
A fényképek néha félrevezetőek. Hosszskála hiányában mit lehet mondani a fenti fényképről: természetes táj, meszes betonok, bőrnövekedések? Semelyik, hanem egy doboz finom homok halom. Hogyan faragták ezeket a domborműveket?
Ezeknek a halmoknak és barázdáiknak az eredete a „vulkánhatás”, amely jelenség szemcsés környezetben játszódik le, amikor felemelik és leesik. A szemcsés közeg részecskék együttese. Mindenütt jelen vannak: homok, föld, élelmiszerporok, gyógyszeripari porok ... a Szaturnusz bolygóig, amelynek fő gyűrűje számtalan, néhány centiméter átmérőjű apró szemcséből áll. Számos tudós - például Faraday vagy Coulomb - erőfeszítései ellenére és a közelmúltbeli fejlődés ellenére a gabonaanyag viselkedésével kapcsolatos ismereteink folyamatosan fejlődnek. Így, bár Faraday már közel 200 évvel ezelőtt megfigyelte a vulkánhatás bizonyos megnyilvánulásait, csak most szedtük szét a fogaskerekeket.
1831-ben Faraday észrevette, hogy a függőlegesen rázott homokkupacon a szemek a tetején szöknek ki, mielőtt az oldalukon folynának, kissé olyan, mint a vulkánok lávája. Faraday a szemcsés közeg keverésével hangsúlyozta az elindított gáz szerepét. Ma egy vulkánhatásnak nevezett leírást kínálunk, különös tekintettel a hatás és a folyadékokban előforduló egyes jelenségek közötti analógiákra. Bizonyos esetekben a finom homok vízként viselkedik!
Homokvár
A vulkán effektus akkor jelenik meg látványosan, ha vékony, merev és lapos támaszra - például üveglemezre - vékony réteg finom és száraz port, például homokot vagy finom sót helyez. Az ideális az egyetlen részecskeréteg használata, de néhány részecske vastagsága is alkalmas a jelenség megfigyelésére. Ezután a lemez egyik végét rugalmas módon rögzítjük (például a hüvelykujj és a mutatóujj közé tartva), és a szemközti végre ismételt ütések sorozatát alkalmazzuk, például másodpercenként egy ütést. Az ütések közötti időintervallum tetszőleges lehet, de az ütések amplitúdójának feltétlenül állandónak kell lennie.
Tíz sokk után megfigyelhető, hogy a porréteg kis csatornákra válik szét, majd ezek a csatornák megosztódnak. A szemcsék ezután halmokban gyűlnek össze (lásd a 2. ábrát), amelyek miután kialakultak, már nem fejlődnek. A kísérletet nagyobb amplitúdójú sokkokkal reprodukálva azt látjuk, hogy a cölöpök mérete és a köztük lévő távolság növekszik. Ha a lemezre rakódott réteg sokkal vastagabb (néhány milliméter), akkor már nem halomhálózatot, hanem egyenlő távolságra lévő ráncok hullámos felületét figyeljük meg.
1831-ben Faraday durván értelmezte a jelenséget. Azzal szórakoztatta magát, hogy kúpos finom homokkupacot rezgett, amelyet úgy kapott, hogy az edény tartalmát gyorsan vízszintes tartóra dobta. Azt jelezte, hogy amikor a kúpos kupac magasan van, a lemezre adott sokkra adott reakció hatására alulról szívják a levegőt. Esés közben a homokkupac kiszorítja a levegőt. A levegőt részlegesen kiürítik az oldalakra, de néhány belép a halomba. Faraday megfigyelte, hogy a cölöp belsejében a rezgés és a levegő keringése hatására bizonyos részecskék a homokkupac oldalai mentén áramlanak, eltűnnek ennek a tövénél, felmennek a halom közepén, újra megjelennek tetején, majd zuhanjon vissza azokra az oldalakra, ahol ismét leereszkednek, új ciklust kezdve (lásd a 3. ábrát).
Miért jön ki a homokhalom alatti szívással bevezetett levegő a tetején, és részecskéket dob ki? Miért nem kerül ki az oldalfalak mellett, amelyeket alacsonyabban könnyebben át lehetne keresztezni? Vizsgáljuk meg ezt a jelenséget. Faraday nem léphette túl ezeket az egyszerű megfigyeléseket - ráadásul tökéletesen helytálló -, mert nem volt tisztában a szemcsés közeg bizonyos tulajdonságokkal: a lavinajelenséggel, a részecske gázzal történő fékezésének törvényével és a gáz fékezésének törvényével. porózus vagy szemcsés közeg.
Így a környező levegő felelős a vulkánhatásért. A homokkupac alá beszívott levegő sebessége másodpercenként néhány centiméter. Ahhoz, hogy egy szemcsét ez a légáram mozgasson, a mozgási energiának, amelyet a gabona számára a légáram közvetít, meg kell haladnia a gravitációs energiáját. Ez vonatkozik azokra a szemekre, amelyek mérete kisebb, mint körülbelül 100 mikrométer. A mikrométernél kisebb átmérőjű szemcsék szobahőmérsékleten kinetikus energiájúak, a hőenergia nagyságrendjében: érzékenyek tehát a termikus keverésre és diszpergálódnak, amint összegyűlnek, akárcsak a füst. Így a vulkánhatás olyan szemcsékre hat, amelyek mérete 1 és 100 mikrométer között van. Ezek a feltételek a gázban mozgó szemekre vonatkoznak. Folyadékban nagyobb szemcsékkel figyelhetjük meg a vulkán hatást (erre még visszatérünk).
Akár sivatagban sétál, akár főz, tapasztalhatja, hogy a homok, liszt, cukor vagy bármely más típusú gabona oldalának lejtése mindig megközelítőleg azonos. Ennek a szögnek a pontos értéke különböző paraméterektől függ, például a halom kialakulásának módjától vagy a peremfeltételektől, de ez minden esetben megközelítőleg 30 fok. A gabonakupacok instabilak, és a legkisebb zavar is elbizonytalaníthatja az épületet, és lavinát indíthat el a széleken. A hegyekben tavasszal néha egy hegymászó kiáltása elegendő a hószőnyegek megrázásához és lavina kiváltásához.
A szemek lavinája
Egy kis rovar, az antilion okosan kihasználja a lavinák tulajdonságait, hogy csapdába ejtse zsákmányát. Homokos környezetben lyukat ás, amelynek falai a lavina szögében hajlanak. Az instabil tölcséren merészkedő rovarokat az általuk kiváltott lavina az aljára húzza, és nem képesek felemelkedni. A hangya még a lavinák kiváltásában is segítene, ha apró kavicsokat dobna a ferde falakra. Ez a csapda működés után is aktív marad: egy lavinát követően a fal ismét instabil állapotban van, ami új lavinának kedvez.