Пясъчни вулкани за наука
Изложени на многократни удари, гранулираните среди, като фин пясък или брашно, се превръщат в поле с редовно разположени могили. Подобно на вулканите, тези могили изхвърлят материя от върха си под въздействието не на лава, а на газ, изместен от развълнувания пясък.
Тези пясъчни скулптури са получени в кутия, съдържаща фин пясък. Редовно удряме дъното на кутията на две места. Външният вид на планинския пейзаж, който пясъкът приема, с релефите си и речните корита идва от „вулканския ефект“, явление, при което въздухът, изместен от пясъка, се намесва, когато скача под удара, след което той пада.
Снимките понякога са подвеждащи. При липса на скала за дължина, какво може да се каже за горната снимка: естествен пейзаж ли е, варовити конкременти, кожни израстъци? Нищо от това, но купчини фин пясък в кутия. Как са изваяни тези релефи?
Произходът на тези могили и техните бразди е „вулканският ефект“, явление, което се случва в гранулирана среда, когато те се повдигат и падат. Гранулираната среда е съвкупност от частици. Те са вездесъщи: пясък, пръст, хранителни прахове, фармацевтични прахове ... до планетата Сатурн, чийто основен пръстен се състои от безброй малки зърна с диаметър няколко сантиметра. Въпреки усилията на много учени като Фарадей или Кулон и въпреки скорошния напредък, нашите познания за поведението на зърнените материали продължават да се развиват. По този начин, въпреки че Фарадей вече е наблюдавал определени прояви на вулканския ефект преди близо 200 години, ние току-що сме разделили зъбците.
През 1831 г. Фарадей беше забелязал, че върху купчина пясък, разклатен вертикално, зърната излизат отгоре, преди да потекат отстрани, малко като лавата на вулканите. Фарадей беше подчертал ролята на газа, задействан от разбъркването на гранулираната среда. Днес предлагаме описание на това, което нарекохме вулкански ефект, по-специално благодарение на аналогиите между този ефект и някои явления, възникващи в течностите. В някои случаи финият пясък се държи като вода!
Пясъчен замък
Ефектът на вулкана се появява ефектно, когато поставите върху тънка, твърда и плоска опора, като стъклена плоча, тънък слой фин и сух прах като пясък или фина сол. Идеалното е да се използва един слой частици, но дебелината на няколко частици също е подходяща за наблюдение на явлението. След това единият от краищата на плочата се фиксира по гъвкав начин (например като се държи между палеца и показалеца) и към противоположния край се прилага поредица от повтарящи се удари, например един удар в секунда. Интервалът от време между тези удари може да бъде произволен, но амплитудата на тези удари задължително трябва да бъде постоянна.
След десет удара се забелязва, че праховият слой се отделя на малки канали, след което тези канали се разделят. След това зърната се събират на купчини (виж фигура 2), които, след като се образуват, вече не еволюират. Възпроизвеждайки експеримента с удари с по-голяма амплитуда, виждаме, че размерът на купчините и разстоянието между тях се увеличават. Когато слоят, отложен върху плочата, е много по-дебел (няколко милиметра), вече не наблюдаваме мрежа от купчини, а вълнообразна повърхност на равноотдалечени бръчки.
През 1831 г. Фарадей даде груба интерпретация на явлението. Беше се забавлявал, като направи конична купчина фин пясък да вибрира, получена чрез бързо изхвърляне на съдържанието на контейнер върху хоризонтална опора. То показва, че когато коничната купчина е на височина, под въздействието на реакцията на удара, даден върху плочата, въздухът се засмуква отдолу. Докато пада, купчината пясък прогонва въздуха. Въздухът е частично евакуиран отстрани, но част навлиза в купчината. Фарадей беше забелязал, че под действието на вибрациите и циркулацията на въздуха вътре в купчината определени частици текат по стените на купчината пясък, изчезват в основата на тази, изкачват се в центъра на купчината, появяват се отново в горната част, след това се върнете обратно в страни, където те отново се спускат, започвайки нов цикъл (вижте фигура 3).
Защо въздухът, въведен чрез засмукване под купчината пясък, излиза отгоре, изхвърляйки частици? Защо не се измъкне от страничните стени, които по-ниско ще бъдат по-лесно пресичани? Нека разгледаме това явление. Фарадей не можеше да надхвърли тези прости наблюдения - освен това напълно съвършен - защото не знаеше за някои свойства на гранулираните среди: феноменът на лавината, законът за спирането на частица от газ и закона за спирането на газ от пореста или гранулирана среда.
По този начин околният въздух е отговорен за вулканския ефект. Скоростта на въздуха, засмукан под купчината пясък, е няколко сантиметра в секунда. За да се движи зърно от този въздушен поток, кинетичната енергия, придавана на зърното от въздушния поток, трябва да надвишава неговата гравитационна енергия. Това важи за зърната, чийто размер е по-малък от около 100 микрометра. Зърната с диаметър по-малък от микрометър имат при стайна температура кинетична енергия от порядъка на топлинната енергия: следователно те са чувствителни към термично разклащане и се разпръскват веднага щом се съберат, както и димът. По този начин вулканският ефект действа върху зърната, чийто размер е между 1 и 100 микрометра. Тези условия се отнасят за зърната, движещи се в газ. В течност можем да наблюдаваме ефекта на вулкана с по-големи зърна (ще се върнем към това).
Независимо дали се разхождате в пустиня или готвите, може да откриете, че наклонът на стените на купчините пясък, брашно, захар или друг вид зърно винаги е приблизително еднакъв. Точната стойност на този ъгъл зависи от различни параметри, като например начина на образуване на купчината или граничните условия, например, но във всички случаи тя е приблизително равна на 30 градуса. Купчините зърно са нестабилни и най-малкото смущение може да дестабилизира сградата и да предизвика лавина по фланговете. В планините, през пролетта, вик от планинар понякога е достатъчен, за да разтърси снежните постелки и да предизвика лавина.
Лавина от зърна
Малко насекомо, антилионът, умело се възползва от свойствата на лавините, за да залови плячката си. В пясъчна среда той изкопава дупка, чиито стени са наклонени под ъгъла на лавината. Насекомите, които се впускат в тази нестабилна фуния, се влачат на дъното от лавината, която задействат, и не могат да се издигнат. Мравката дори би помогнала да задейства лавини, като хвърля малки камъчета по наклонените стени. Този капан остава активен, след като е оперирал: след лавина стената отново е в нестабилно състояние, благоприятно за нова лавина.