La convección granular es un fenómeno en el que el material granular sometido a sacudidas o vibraciones exhibirá patrones de circulación similares a los tipos de convección de fluidos . [1] A veces se describe como el efecto de la nuez de Brasil [2] cuando las partículas más grandes terminan en la superficie de un material granular que contiene una mezcla de objetos de varios tamaños; esto se deriva del ejemplo de un recipiente típico de nueces mixtas , donde las más grandes serán las nueces de Brasil . El fenómeno también se conoce como efecto muesli, ya que se observa en paquetes de cereales para el desayuno que contienen partículas de diferentes tamaños.pero densidad similar , como la mezcla de muesli .
En condiciones experimentales, se ha observado la convección granular de partículas de diversos tamaños formando celdas de convección similares al movimiento de los fluidos. [3] [4] La convección de flujos granulares se está convirtiendo en un fenómeno bien conocido. [5]
Explicación
Puede ser contradictorio encontrar que las partículas más grandes y (presumiblemente) más pesadas suben a la parte superior, pero son posibles varias explicaciones:
- El centro de masa de todo el sistema (que contiene las nueces mixtas) en un estado arbitrario no es óptimamente bajo; tiene la tendencia a ser más alta debido a que hay más espacio vacío alrededor de las nueces de Brasil más grandes que alrededor de las más pequeñas. [ cita requerida ] Cuando se sacuden las nueces, el sistema tiende a moverse a un estado de menor energía, lo que significa mover el centro de masa hacia abajo moviendo las nueces más pequeñas hacia abajo y, por lo tanto, las nueces de Brasil hacia arriba. [ cita requerida ]
- Incluyendo los efectos del aire en los espacios entre partículas, las partículas más grandes pueden flotar o hundirse. Las partículas más pequeñas pueden caer en los espacios debajo de una partícula más grande después de cada batido. Con el tiempo, la partícula más grande se eleva en la mezcla. (Según Heinrich Jaeger , "[esta] explicación para la separación por tamaño podría funcionar en situaciones en las que no hay convección granular, por ejemplo, para contenedores con paredes laterales sin fricción o muy por debajo de la superficie de contenedores altos (donde la convección está fuertemente suprimida) Por otro lado, cuando la fricción con las paredes laterales u otros mecanismos configuran un patrón de rodillo de convección dentro del contenedor vibrado, encontramos que el movimiento convectivo se convierte inmediatamente en el mecanismo dominante para la separación de tamaños ". [6] )
- La misma explicación sin argumentos de flotabilidad o centro de masa: a medida que una partícula más grande se mueve hacia arriba, cualquier movimiento de partículas más pequeñas en los espacios debajo bloquea la partícula más grande para que no vuelva a su posición anterior. El movimiento repetitivo da como resultado que más partículas pequeñas se deslicen debajo de partículas más grandes. Una mayor densidad de las partículas más grandes no tiene ningún efecto sobre este proceso. No es necesario agitar; cualquier proceso que levante partículas y luego las deje asentarse tendría este efecto. El proceso de elevar las partículas imparte energía potencial al sistema. El resultado de que todas las partículas se asienten en un orden diferente puede ser un aumento de la energía potencial, un aumento del centro de masa.
- Cuando se agitan, las partículas se mueven en un flujo de convección inducido por vibraciones ; las partículas individuales se mueven hacia arriba por el medio, a través de la superficie y hacia abajo por los lados. Si está involucrada una partícula grande, se moverá hacia la parte superior por flujo de convección. Una vez en la parte superior, la partícula grande permanecerá allí porque las corrientes de convección son demasiado estrechas para barrerla a lo largo de la pared.
El fenómeno está relacionado con la paradoja de Parrondo en la medida en que las nueces de Brasil se mueven hacia la parte superior de las nueces mixtas contra el gradiente gravitacional cuando se someten a sacudidas al azar. [7]
La convección granular ha sido probada mediante el uso de resonancia magnética [8], donde se pueden visualizar rollos de convección similares a los de los fluidos ( células de Bénard ).
Aplicaciones
Fabricación
El efecto es de gran interés para algunas operaciones de fabricación; una vez que se ha producido una mezcla homogénea de materiales granulares, normalmente no es deseable que los diferentes tipos de partículas se segreguen. Varios factores determinan la gravedad del efecto de la nuez de Brasil, incluidos los tamaños y densidades de las partículas, la presión de cualquier gas entre las partículas y la forma del recipiente. Una caja rectangular (como una caja de cereal para el desayuno) o un cilindro (como una lata de nueces) funcionan bien para favorecer el efecto, [ cita requerida ] mientras que un recipiente con paredes inclinadas hacia afuera (como en una geometría cónica o esférica) da como resultado lo que se conoce como el efecto inverso de la nuez de Brasil . [9]
Astronomía
En astronomía , es común en asteroides de baja densidad o de escombros , por ejemplo, el asteroide 25143 Itokawa [10] y 101955 Bennu . [11]
Geología
En geología , el efecto es común en áreas anteriormente glaciadas como Nueva Inglaterra y áreas en regiones de permafrost donde el paisaje se transforma en montículos por el levantamiento de las heladas : nuevas piedras aparecen en los campos cada año desde más profundo subterráneo. Horace Greeley señaló: "Recoger piedras es un trabajo interminable en una de esas granjas de Nueva Inglaterra. Recoge lo más cerca que puedas, el siguiente arado produce una nueva erupción de cantos rodados y guijarros, desde el tamaño de una nuez de nogal hasta el de una tetera ". [12] Un indicio de la causa aparece en su descripción adicional de que "este trabajo se realizará principalmente en marzo o abril, cuando la tierra está saturada de agua helada". El agua subterránea se congela, levantando todas las partículas por encima de ella. A medida que el agua comienza a derretirse, las partículas más pequeñas pueden asentarse en los espacios de apertura mientras que las partículas más grandes aún se elevan. Cuando el hielo ya no soporta las rocas más grandes, están al menos parcialmente sostenidas por las partículas más pequeñas que se deslizaron debajo de ellas. Los ciclos repetidos de congelación-descongelación en un solo año aceleran el proceso.
Este fenómeno es una de las causas de la clasificación inversa que se puede observar en muchas situaciones, incluida la licuefacción del suelo durante terremotos o deslizamientos de tierra . La convección granular también se ejemplifica por el flujo de escombros , que es un deslizamiento de tierra licuado y en movimiento rápido de escombros saturados y no consolidados que parece concreto fluyendo. Estos flujos pueden transportar material que varía en tamaño, desde arcilla hasta rocas, incluidos restos leñosos como troncos y tocones de árboles. Los flujos pueden ser provocados por lluvias intensas, derretimiento de glaciares o una combinación de ambos.
Ver también
- Efecto Cheerios
- Efecto palomitas de maíz en pantallas vibratorias de alta frecuencia
Referencias
- ^ Convección granular y separación por tamaños . La Universidad de Chicago
- ^ Rosato, A .; Strandburg, KJ; Prinz, F .; Swendsen, RH (1987). "Por qué las nueces de Brasil están en la cima". Cartas de revisión física . 58 (10): 1038–41. doi : 10.1103 / physrevlett.58.1038 . PMID 10034316 .
- ^ Rietz, Frank; Stannarius, Ralf (2008). "Al borde del atasco: convección granular en contenedores densamente llenos". Cartas de revisión física . 100 (7): 078002. arXiv : 1706.04978 . Código Bibliográfico : 2008PhRvL.100g8002R . doi : 10.1103 / PhysRevLett.100.078002 . PMID 18352597 . S2CID 28054132 .
- ^ Forma de patrones desconcertantes en Scientific Sandbox , Wired, Brandon Keim, 28 de octubre de 2009
- ^ Granos de arena revelan un posible quinto estado de la materia , cableado, Brandon Keim, 24 de junio de 2009
- ^ "Preguntas y respuestas de Sidney Nagel y Heinrich Jaeger" . Pbs.org . Consultado el 27 de septiembre de 2010 .
- ^ Abbott, Derek (2009). "Avances en la paradoja de Parrondo". Aplicaciones de la dinámica no lineal . Saltador. págs. 307–321. ISBN 978-3-540-85631-3.
- ^ Ehrichs, EE; Jaeger, HM; Karczmar, GS; Knight, JB; Kuperman, V. Yu .; Nagel, SR (1995). "Convección granular observada por resonancia magnética". Ciencia . 267 (5204): 1632–4. Código Bibliográfico : 1995Sci ... 267.1632E . doi : 10.1126 / science.267.5204.1632 . PMID 17808181 . S2CID 29865605 .
- ^ Knight, James B .; Jaeger, HM; Nagel, Sidney R. (14 de junio de 1993). "Separación de tamaño inducida por vibraciones en medios granulares: la conexión por convección". Cartas de revisión física . 70 (24): 3728–3731. Código bibliográfico : 1993PhRvL..70.3728K . doi : 10.1103 / PhysRevLett.70.3728 . ISSN 0031-9007 . PMID 10053947 .
- ^ Nemiroff, R .; Bonnell, J., eds. (22 de abril de 2007). "Secciones suaves del asteroide Itokawa" . Imagen de astronomía del día . NASA .
- ^ Wright, Esteban; Quillen, Alice C .; Sur, Juliana; Nelson, Randal C .; Sánchez, Paul; Siu, John; Askari, Hesam; Nakajima, Miki; Schwartz, Stephen R. (2020). "Rebotes en asteroides: estudio experimental de impactos de pastoreo de baja velocidad en medios granulares". Ícaro . 351 : 113963. arXiv : 2002.01468 . Código Bib : 2020Icar..35113963W . doi : 10.1016 / j.icarus.2020.113963 . S2CID 219965690 .
- ^ extracto de Recuerdos de una vida ocupada Archivado el 10 de septiembre de 2012 en archive.today , por Horace Greeley 1869
enlaces externos
- Cuentas en una caja en YouTube
- El efecto de la nuez de Brasil en PhysicsWeb
- Yan, X .; Q. Shi; M. Hou; K. Lu; CK Chan (3 de julio de 2003). "Efectos del aire sobre la segregación de partículas en un lecho granular agitado". Cartas de revisión física . 91 (1): 014302. Código Bibliográfico : 2003PhRvL..91a4302Y . doi : 10.1103 / PhysRevLett.91.014302 . PMID 12906541 .
- El efecto de la nuez de Brasil: simulación numérica Ejemplo de una simulación numérica del efecto de la nuez de Brasil.
- "Por qué los brasileños siempre terminan en la cima" , BBC News , 15 de noviembre de 2001
- "¿Por qué agitar una lata de café hace que los granos más grandes se muevan a la superficie?" , Scientific American , 9 de mayo de 2005
- "De airbags, Avalungs y seguridad contra avalanchas" , Toronto Star , 13 de enero de 2008
- Bowley, Roger (2009). "Γ - Relación de aceleración a gravedad (y el efecto de la nuez de Brasil)" . Sesenta símbolos . Brady Haran para la Universidad de Nottingham .
