Quando i letti di sabbia (a) e i gel (b) vengono destabilizzati, nel tempo si formano simili instabilità di "dita" (da sinistra a destra). Credito:Università metropolitana di Tokyo
I ricercatori della Tokyo Metropolitan University hanno identificato somiglianze chiave tra il comportamento dei materiali granulari e dei gel fondenti. Hanno scoperto che i letti di sabbia che cadono condividono lo stesso meccanismo di destabilizzazione della gelatina in fusione poiché viene riscaldata dal basso, in particolare il modo in cui i parametri chiave si adattano allo spessore della regione fluidizzata. I loro risultati, pubblicati in Rapporti scientifici , forniscono importanti spunti nella nostra comprensione della destabilizzazione per gravità, come si vede nelle valanghe, nelle frane e nei processi di trasporto industriale.
La sabbia e la gelatina potrebbero non assomigliare molto, ma hanno proprietà fisiche simili. La sabbia è composta da miliardi di granelli di materiale solido, che possono riversarsi come un liquido e intasare i tubi come un solido. Materiali come le soluzioni di gelatina versano come un liquido ad alta temperatura, ma improvvisamente assumono proprietà solide una volta raffreddati. Osservando i dettagli microscopici, è evidente che la solidità dei gel è sostenuta da reti di polimeri o proteine che attraversano un materiale; questo è simile a come le "catene di forza", reti di granelli che si spingono l'uno sull'altro, danno origine all'apparente solidità della sabbia. Questo affascinante incrocio di comportamento solido e liquido costituisce la spina dorsale di molti fenomeni naturali, come valanghe e smottamenti, ma è ancora poco compreso.
Queste somiglianze hanno ispirato il dottor Kazuya Kobayashi e il professor Rei Kurita della Tokyo Metropolitan University a confrontare direttamente gel fisici e letti di sabbia mentre fluidificano. Hanno osservato la fluidificazione di letti sottili di sabbia e soluzioni di gelatina utilizzando telecamere ad alta velocità. Per la sabbia, i letti di granelli preformati in aria o in acqua sono stati invertiti e osservati mentre la base inizia a cadere. Per la gelatina sono stati preparati due strati con diverse concentrazioni di gelatina, uno sopra l'altro. Le concentrazioni sono state scelte in modo che lo strato inferiore si fluidifichi completamente per primo. Quando il materiale viene riscaldato dal basso, lo strato superiore si destabilizzerebbe e inizierebbe a cadere.
Si trova che la distanza tipica tra le dita (a) e la velocità del fronte sfuggente (b) scala in modo simile con lo spessore della regione fluidizzata sia nei gel che nella sabbia. Questa è la prova di caratteristiche comuni nei loro meccanismi fisici. Credito:Università metropolitana di Tokyo
In entrambi i sistemi, il team ha riscontrato instabilità di diteggiatura, in cui sottili dita di materiale cadono nel materiale (o aria/acqua) sottostante, simili a gocce di pioggia che cadono da una finestra. Nel tempo, nuove dita apparirebbero tra quelle esistenti e l'interfaccia tra le parti liquide e solide si ritirerebbe. Utilizzando una speciale tecnica di imaging, il team è stato anche in grado di identificare una regione dell'interfaccia "fluidizzata" sopra il punto in cui iniziano effettivamente le dita. È stato riscontrato che lo spessore di questa regione è fortemente correlato a parametri chiave come la velocità alla quale la parte anteriore si allontana e la distanza tra le dita. Questo tipo di relazione è chiamata relazione di "scala" ed è importante in fisica per collegare fenomeni che inizialmente potrebbero sembrare diversi ma potrebbero essere correlati a un livello più profondo attraverso i loro meccanismi. In questo caso, questa è una forte evidenza di come le somiglianze tra i materiali, ovvero la connettività di una rete che porta forza, siano alla base del loro comportamento fisico macroscopico.
Attraverso i loro estesi esperimenti, il lavoro del team offre preziose informazioni su come i materiali granulari e i gel si destabilizzano per gravità, con implicazioni sia per i fenomeni di fluidizzazione in natura che per la progettazione di sistemi di trasporto per materiali granulari su scala industriale. + Esplora ulteriormente
