المپياد جهاني فيزيك
 پيوندهاي المپياد فيزيك
 
 مواد دانه‌اي شكل (زنگ تفريح شماره‌ي 85)
مواد دانه‌اي شكل (زنگ تفريح شماره‌ي 85)زنگ تفريح فيزيك
سرگرمي مهم فيزيكدانان!!؟

مواد دانه‌اي شكل







 

 

 

مقدمه

در دنيايي كه زندگي مي‌كنيم ماده را معمولاً به جامدات، مايعات و گازها دسته مي‌كنيم. ولي دانه‌هاي شن چطور؟ درد يك ساعت شني جريان دارد؛ و درست مثل مايع شكل ظرف را به‌خود مي‌گيرد. يك دانه‌ي شن جامد است ولي وقتي دانه‌هاي زيادي را كنار هم قرار دهيم، ويژ‌گي‌هاي نسبتاً متفاوتي از خود نشان مي‌دهد.

عكس گروهي از تپه ماهور (تپه‌هاي شني) را نشان مي‌دهد. اگر شن به‌آرامي به سطح بريزد، اين ستون شني تا زماني كه شيب آن به زاويه‌ي حد بحراني برسد، رشد مي‌كند. اين زاويه را مي‌توان با اندازه و ميزان چسبندگي دانه‌هاي شن مشخص كرد. فراي زاويه‌‌ي بحراني يك نوع بهمن به‌وجود مي‌آيد.

بسياري از توليدات اساسي از مواد ساختماني گرفته تا شيميايي، دارويي و غذايي دانه‌اي شكل هستند. به دليل ويژگي‌هاي مواد دانه‌اي شكل،‌ بسياري از تأسيسات به صورت نه‌چندان مفيدي عمل مي‌كنند و گاهي به فاجعه مي‌انجامند. در شكل روبرو نابودي يك مخزن را مي‌بينيد.

شن‌هاي مرطوب را مي‌‌توان براي ساختن قلعه‌هاي ماسه‌اي يا شني و حتي همانطور كه در شكل مي‌بينيد، طاق‌هاي قوسي شكل استفاده كرد. ولي با اضافه كردن مقدار زيادي آب همين اثر چسبندگي از بين مي‌رود. عكس بعدي ساختماني را در ناحيه‌ي «مارينا»، سانفرانسيسكو، بعد از 1989 در زلزله‌ي «لوما پريتا» (Loma Prieta) نشان مي‌دهد. ضربه‌هاي زمين‌لرزه، زمين مرطوب را به مايعي تبديل كرد كه ديگر تحمل ساختمان را نداشت و در زمين فرو رفت.

 

شكل 1 - نابودي يك مخزن غله
(Robert Behringer, Duke University)

شكل 3- اين ساختمان در
سانفرانسيسكو بعد را زلزله‌ي 1989
لوما پيريتا در زمين فرو رفت.



مواد دانه‌اي شكل فراتر از اهميت‌شان، براي فيزيكدانان هم بسيار جالب هستند؛ زيرا با ويژگي‌هايي كه دارند، شكل نامتعارفي از خود نشان مي‌دهند كه هنوز به طور كامل شناخته نشده است. فيزيك مواد دانه‌اي شكل بر اساس چند ايده‌ي پايه‌اي بنا شده:

    گرانش نيروي روبه ‌پاييني را به هر ذره وارد مي‌كند.

     اصطكاك بين ذرات بستگي به اندازه و طبيعت ذرات محيط بين ذرات (مثل آب) دارد.

    انرژي مكانيكي بيش‌تر براي گرم كردن ذرات به‌صورت حركت صرف مي‌شود (درست مثل انرژي مكانيكي كه براي بلند شدن از صندلي يا پريدن صرف مي‌كنيد و تبديل به گرما مي‌شود).

مواد دانه‌اي شكل «سيستم‌هاي جمع كننده» ناميده مي‌شوند، زيرا ذرات با هم در تماسند و به هم برخورد مي‌كنند آن‌قدر اهميت دارد كه بتوانيم از طريق آن اندازه‌گيري را انجام دهيم. مثلاً در يك مخزن شن هر ذره فقط با چند ذره‌ي معدود در تماس است زيرا اندركنش‌هاي «بُرد كوتاه» آنچه را براي كٌُل اين سيستم اتفاق مي‌افتد، مشخص مي‌كنند.

در اين حالت يك مخزن شن مي‌تواند مدلي از رفتار مثلآً سلول‌ها در يك منطقه يا كارگران در اقتصاد باشد. تمامي موضوعاتي كه مفاهيم كُلي اين نوع سيستم‌ها را از خود نشان مي‌دهند براي فيزيك‌دانان جالب هستند.

زمينه‌هاي پژوهشي

همان‌طور كه قبلاً هم ذكر شد، مواد دانه‌اي شكل مي‌توانند مانند سيال رفتار كند و كاملاً هم نامتعارف باشد. براي مثال وقتي سيني پر از دانه‌هاي كروي بالا و پايين مي‌شود، و الگوي امواج ايستاده را از خود نشان مي‌دهد (اولين بار اين آزمايش در دانشگاه كالتك -Caltech انجام شد). تحت شرايطي درست مثل مايعات با فركانس معين درست مثل موج ديده مي‌شود!

شكل 4 - ساختار موجي در لايه‌ي ذراتي
 كه در حال ارتعاش هستند؛ ارتعاش سيني
با تناوب 20 بار در ثانيه به‌صورت سينوسي است.
ذرات كره‌هاي شيشه‌اي با فطر حدود 1 ميلي‌متر هستند
.

در آزمايش‌ مشابهي كه دانشگاه «آستين» در «تگزاس» انجام داد،‌ محققان سيني بزرگ‌تري را مورد آزمايش انجام دادند كه الگوي هگزاگونال را در تصوير مي‌بينيد. درست مثل زمين‌لرزه تكان‌ها اتفاق افتاد هم رفتار جامد داشت هم مايع. آناليزهاي نظري كه اين نتايج را بررسي كردند نشان مي‌دهند كه براي حركت بسياري از مواد دانه‌اي شكل كاربرد دارد.

 

شكل 5 - الگوي ديناميكي هگزاگونال:
ارتعاش عمودي دانه‌ها خودشان را به‌صورت
كندوي عسل كامل درمي‌آورند.
(Material Science Division,
Argonne National Laboratory
)
 

يكي از زيباترين نتايج وجود نوسان‌هاي منفردي بود كه در واقع اين الگوي هگزاگونال را مي‌ساخت. تصوير (4) نشان مي‌دهد كه يك قله و يك فرورفتگي واحد اطراف كره‌هاي فلزي وجود دارد. اين نمونه‌ها در آزمايشگاه نشان مي‌دهد، همان‌طور كه در طبيعت نيز چنين است، پديده‌هاي جالبي را در رابطه با مواد دانه‌اي شكل از خود نشان مي‌دهد.

شكل 6 - تك قله و حفره‌ي كره‌هاي
 فلزي در حال ارتعاش
(Paul Umbanhower, Northwetern University)

شكل 7- ارتعاش زنجيره‌ي نقاط

1387/6/20لينک مستقيم

نظر شما پس از تاييد در سايت قرار داده خواهد شد
نام :
پست الکترونيکي :
صفحه شخصي :
نظر:
تاییدانصراف
 
 المپياد فيزيك

 

     

 

 

صفحه‌ي اصلي

     

 

راهنماي سايت

     

 

 

آموزش

     

 

بانك سوال

     

 

 

مسابقه

     

 

 

زنگ تفريح

     

 

 

مصاحبه و گزارش

     

 

 

معرفي كتاب

     

 

 

مشاوره

     

 

 

پرسش‌و‌پاسخ‌علمي

     

 

اخبار

 

فعاليت‌هاي علمي

 سايت‌هاي المپياد فيزيك
 بازديدها
كاربران غيرعضو آنلاينكاربران غيرعضو آنلاين:  1616
 كاربران عضو آنلاين:  0
  کل كاربران آنلاين:  1616