html текст
All interests
  • All interests
  • Design
  • Food
  • Gadgets
  • Humor
  • News
  • Photo
  • Travel
  • Video
Click to see the next recommended page
Like it
Don't like
Add to Favorites

Физики впервые увидели охлаждение сыпучего газа из палочек в невесомости


K. Harth et al. / Phys. Rev. Lett.

Физики из Университета имени Отто фон Герике увидели на практике охлаждение сыпучего газа, состоящего из тонких медных палочек и помещенного в невесомость. Неожиданно оказалось, что энергия газа убывает со временем в соответствии с законом Хаффа, хотя приближения, используемые при его выводе, не выполняются. Статья опубликована в Physical Review Letters.

Движение пешеходов, мигрирующих групп животных и бактерий, а также поведение песка в песчаной буре можно описать с помощью модели сыпучего газа (granular gas) — системы из большого числа сравнительно крупных частиц, которые теряют энергию при столкновениях и могут взаимодействовать только с ближайшими соседями. Свойства сыпучих газов существенно отличаются от обычных газов, в которых столкновения частиц упругие, то есть не приводят к потере энергии. В частности, распределение скоростей частиц и зависимость давления отличается для обычного и сыпучего газа. Кроме того, в сыпучих газах действует так называемый «сыпучий демон Максвелла», который заставляет частицы слипаться и формировать кластеры, — например, если вы поместите сыпучий материал в коробку, разделенную перегородкой с небольшим отверстием, и будете энергично ее встряхивать, со временем бо́льшая часть частиц соберется в одной половине коробке. 

Напротив, в классической термодинамике частицы стремятся распределиться по коробке как можно более равномерно. Считается, что именно подобные процессы привели к образованию планетезималей и последующему формированию известных крупных объектов Солнечной системы.

К сожалению, в основном свойства сыпучих газов изучают теоретически, делая множество упрощающих вычисления предположений. Например, в 1983 году американский физик Питер Хафф (Peter Haff) показал, что энергия однородного сыпучего газа, который состоит из одинаковых сфер и в котором можно пренебречь трением, падает обратно пропорционально квадрату времени: E(t) ~ (t/τ)−2, где τ — это характерный масштаб, после которого закон начинает работать. Проще говоря, при отсутствии внешнего воздействия такой газ охлаждается и средняя скорость частиц уменьшается, поскольку они теряют энергию при столкновениях. Сейчас этот закон называют законом Хаффа. В дальнейшем другие исследовательские группы повторили расчеты Хаффа для более общих случаев вытянутых эллипсоидов, цилиндров и бесконечно тонких иголок и получили похожий закон E(t) ~ t−2; форма частиц сказывалась только на характерном масштабе τ, но не на показателе степени. Тем не менее, в 2010 году группа физиков под руководством Такеши Канзаки (Takeichi Kanzaki) с помощью численных расчетов показала, что в двумерной системе вязкоупругих вытянутых эллипсоидов показатель степени должен измениться на 5/3, причем энергия колебательных и трансляционных степеней свободы будет по-разному зависеть от времени. Трансляционные степени свободы — это степени свободы, которые отвечают поступательному движению частиц; чем быстрее частица движется, тем больше ее трансляционная энергия.

В новой работе группа ученых под руководством Ральфа Станнариуса (Ralf Stannarius) экспериментально проверила закон Хаффа для сыпучего газа, состоящего из вытянутых палочек и помещенного в невесомость. Для этого исследователи поместили в контейнер размером 11×8×8 сантиметров 374 медные палочки длиной около 10 миллиметров и диаметром около 1,35 миллиметра, а затем сбросили его несколько раз со специальной башни высотой около 146 метров (ZARM Drop Tower). За время свободного падения, которое достигало девяти секунд, контейнер находился в невесомости (ускорение менее 10−6 от ускорения свободного падения), поэтому газ был практически однородным. В течение первых двух секунд падения ученые «разогревали» газ, заставляя вибрировать боковые стенки контейнера, а затем записывали движение палочек в ускоренной съемке (100 кадров в секунду), чтобы оценить их скорость и рассчитать среднюю энергию газа. Чтобы упростить наблюдения, физики пометили несколько палочек краской.

Схема экспериментальной установки; боковые стенки контейнера (плоскость yz) вибрируют, а камеры записывают движение частиц в плоскостях xy и xz

K. Harth et al. / Phys. Rev. Lett.

Фотографии контейнера до охлаждения (b, d) и после (c, e). Картинки (d, e) получены наложением восьми последовательных кадров, на картинке (e) отчетливо видно образование кластеров

K. Harth et al. / Phys. Rev. Lett.


Разработанная учеными схема эксперимента позволила им разделить вклады в энергию частиц, отвечающие вращательным и трансляционным степеням свободы. Грубо говоря, исследователи вычисляли по фотографиям скорости вращения и поступательного движения каждой из выделенных палочек, а потом пересчитывали их в энергию. В результате физики выяснили, что закон Хаффа выполняется для всех степеней свободы по отдельности — начиная со второй секунды охлаждения, каждая из энергий начинала уменьшаться обратно пропорционально квадрату времени. Таким образом, в построенной трехмерной системе не наблюдалось явлений, аналогичных предсказаниям группы Канзаки. Отклонение от закона Хаффа на начальных этапах охлаждения авторы объясняют неоднородностью газа — например, палочки были «горячее» (то есть двигались быстрее) около вибрирующих стенок, пока равновесие в контейнере не установилось.

Зависимость от времени энергий, отвечающих различным степеням свободы (отмечены разными цветами). Во вложении — то же самое, но в логарифмическом масштабе, что позволяет увидеть закон E ~ t−2

K. Harth et al. / Phys. Rev. Lett.


Кроме того, работа Хаффа предсказывала, что частота столкновений в сыпучем газе будет медленно (логарифмически) расти со временем, пока газ охлаждается. В самом деле, из записанных учеными видео следовало, что измеренная экспериментально и предсказанная простейшей теоретической моделью зависимости совпадают. Более того, расчеты параметров теории, опирающиеся на уменьшение энергии и на увеличение числа частиц, дают один и тот же результат.

Зависимость от времени числа столкновений частиц, пунктиром отмечена теоретическая зависимость

K. Harth et al. / Phys. Rev. Lett.


Таким образом, ученые подтвердили, что в исследованной ими системе закон Хаффа выполняется неожиданно хорошо, хотя большинство приближений модели не работают (например, палочки не симметричны, и между ними есть трение). С другой стороны, скорость охлаждения превышает скорость, предсказанную моделью вытянутых эллипсоидов. Поэтому в конце статьи авторы замечают, что теоретические модели сыпучих газов нужно улучшать, и подчеркивают важность экспериментальных исследований.

В марте этого года математики из Великобритании, Испании и Германии показали, что благодаря слипанию частиц и уменьшению полного числа степеней свободы сыпучие газы могут разогреваться даже тогда, когда их полная энергия уменьшается. Тем не менее, в пределе высоких температур, когда распределение частиц практически однородно, эта система также подчиняется закону Хаффа, проверенному в новой работе. Также мы писали о том, как физики экспериментально исследовали упорядочивание частиц в сыпучих жидкостях, которые состоят из большого числа сфер или игральных кубиков, насыпанных в банку.

Дмитрий Трунин

Читать дальше
Twitter
Одноклассники
Мой Мир

материал с nplus1.ru

1

      Add

      You can create thematic collections and keep, for instance, all recipes in one place so you will never lose them.

      No images found
      Previous Next 0 / 0
      500
      • Advertisement
      • Animals
      • Architecture
      • Art
      • Auto
      • Aviation
      • Books
      • Cartoons
      • Celebrities
      • Children
      • Culture
      • Design
      • Economics
      • Education
      • Entertainment
      • Fashion
      • Fitness
      • Food
      • Gadgets
      • Games
      • Health
      • History
      • Hobby
      • Humor
      • Interior
      • Moto
      • Movies
      • Music
      • Nature
      • News
      • Photo
      • Pictures
      • Politics
      • Psychology
      • Science
      • Society
      • Sport
      • Technology
      • Travel
      • Video
      • Weapons
      • Web
      • Work
        Submit
        Valid formats are JPG, PNG, GIF.
        Not more than 5 Мb, please.
        30
        surfingbird.ru/site/
        RSS format guidelines
        500
        • Advertisement
        • Animals
        • Architecture
        • Art
        • Auto
        • Aviation
        • Books
        • Cartoons
        • Celebrities
        • Children
        • Culture
        • Design
        • Economics
        • Education
        • Entertainment
        • Fashion
        • Fitness
        • Food
        • Gadgets
        • Games
        • Health
        • History
        • Hobby
        • Humor
        • Interior
        • Moto
        • Movies
        • Music
        • Nature
        • News
        • Photo
        • Pictures
        • Politics
        • Psychology
        • Science
        • Society
        • Sport
        • Technology
        • Travel
        • Video
        • Weapons
        • Web
        • Work

          Submit

          Thank you! Wait for moderation.

          Тебе это не нравится?

          You can block the domain, tag, user or channel, and we'll stop recommend it to you. You can always unblock them in your settings.

          • nplus1.ru
          • математика
          • физика
          • ученые
          • университет
          • исследования
          • эксперименты
          • домен nplus1.ru

          Get a link

          Спасибо, твоя жалоба принята.

          Log on to Surfingbird

          Recover
          Sign up

          or

          Welcome to Surfingbird.com!

          You'll find thousands of interesting pages, photos, and videos inside.
          Join!

          • Personal
            recommendations

          • Stash
            interesting and useful stuff

          • Anywhere,
            anytime

          Do we already know you? Login or restore the password.

          Close

          Add to collection

             

            Facebook

            Ваш профиль на рассмотрении, обновите страницу через несколько секунд

            Facebook

            К сожалению, вы не попадаете под условия акции