Le catene di forza eruttano quando un "intruso" viene strappato da sotto una pila di dischi circolari, progettati per simulare un materiale granulare. L'intero processo richiede meno di un secondo. Credito:Yue Zhang, Duke University
Puoi facilmente attraversare la sabbia su una spiaggia. Ma entra in una fossa di palline, e le probabilità sono che cadrai a destra attraverso.
Le fosse di sabbia e palline sono entrambi materiali granulari, o materiali costituiti da raccolte di particelle o grani molto più piccoli. A seconda della loro densità e della forza che sperimentano, i materiali granulari a volte si comportano come liquidi, qualcosa attraverso cui cadi, e a volte si "inceppano" in solidi, rendendoli qualcosa su cui puoi stare in piedi.
"In alcuni casi, queste piccole particelle hanno capito come formare effettivamente strutture simili a solide, " ha detto Robert P. Behringer, James B. Duke Professore di fisica. "Allora perché non si limitano a spruzzare di lato ea rilassare lo stress?"
I fisici non hanno ancora capito esattamente quando e come si verifica l'inceppamento, ma la squadra di Behringer alla Duke è sul caso. Il gruppo schiaccia, si allunga, colpi, e tira i materiali granulari per avere un quadro migliore di come e perché si comportano come loro. Il team ha recentemente presentato ben 10 articoli alla conferenza sulle polveri e i cereali del 2017, avvenuta dal 3 al 7 luglio, 2017 a Montpellier, Francia.
Molti di questi studi utilizzano una delle tecniche preferite del laboratorio, che consiste nel creare materiali granulari da piccoli dischi trasparenti che hanno un diametro compreso tra mezzo pollice e un pollice. Questi dischi sono fatti di un materiale che, grazie al modo speciale in cui interagisce con la luce, cambia colore quando viene schiacciato. Questo effetto consente al team di osservare come cambia lo stress all'interno del materiale quando vengono applicate varie forze.
Mentre le ruote girano, deformazione di taglio tra i dischi crea una fitta rete di forze interparticellari. Credito:Yiqiu Zhao, Duke University
In un esperimento, lo studente laureato Yue Zhang ha usato una telecamera ad alta velocità per catturare i modelli di stress mentre una palla su una corda viene tirata fuori da una pila di questi dischi. Nel video, la palla prima sembra essere bloccata sotto il mucchio, e poi improvvisamente cede dopo che è stata applicata una forza sufficiente, non diversamente da quello che potresti sperimentare tirando fuori dal terreno un paletto di tenda, o aprendo il coperchio di un fastidioso barattolo di sottaceti.
"La cosa divertente è che inizi a provare a tirare, aggiungi più forza, aggiungi più forza, e poi a un certo punto tiri così forte che ti colpisci in testa, "Ha detto Behringer.
La squadra è rimasta sorpresa nello scoprire che gli schemi di stress creati dalla palla, che Behringer dice che sembrano "capelli tutti ritti, " sono quasi identici allo stress da impatto, solo al contrario.
"Quello che vedi è che anche se stai gradualmente tirando sempre più forte, le dinamiche finali sono in un certo senso le stesse dinamiche che si ottengono all'impatto, "Ha detto Behringer.
In un altro esperimento, il team ha esaminato cosa succede nei materiali granulari sotto sforzo di taglio, che è simile alla forza che le tue dita esercitano l'una sull'altra quando le strofini.
Sotto i piccoli dischi trasparenti si trovano una serie di ruote concentriche, ciascuno collegato al proprio motore. Ruotando queste piattaforme a velocità diverse, Yiqiu Zhao può osservare come la deformazione da taglio influisce sui dischi. Credito:Duke University
Lo studente laureato Yiqiu Zhao ha posizionato centinaia di questi dischi su una piattaforma circolare composta da una serie di anelli concentrici, ognuno dei quali è controllato da un motore separato. Mentre gli anelli girano a velocità diverse, le particelle si sfregano l'una contro l'altra, creando uno sforzo di taglio.
"Abbiamo una ventina di motori passo passo qui, in modo che possiamo ruotare tutti gli anelli per applicare un taglio non solo dal confine esterno, ma anche da ogni parte all'interno della massa del materiale, " ha detto Zhao. Questo assicura che ogni particella nel cerchio subisca una quantità simile di taglio.
"Uno degli intenti chiave di questo nuovo esperimento era trovare un modo per tosare finché le mucche non tornano a casa, "Behringer ha detto. "E se ci vuole cento volte più sforzo di quello che potrei ottenere con gli esperimenti più vecchi, beh, ce la faremo".
Mentre gli anelli girano, i video del materiale mostrano forze che si snodano fuori dal cerchio interno come fulmini. Hanno scoperto che applicando un taglio sufficiente, è possibile rendere il materiale come un solido a densità molto più basse di quanto si fosse visto prima.
"Puoi effettivamente trasformare un fluido granulare in un solido granulare tagliandolo, "Behringer ha detto. "Quindi è come se non mettessi il ghiaccio nel frigorifero, lo metti in uno di questi vassoi e tagli il vassoio e si trasforma in ghiaccio."
