Τα κοκκώδη υλικά, όπως η άμμος ή το ρύζι, παρουσιάζουν μια συναρπαστική διχοτόμηση: ρέουν ελεύθερα ως υγρό ή συσσωματώνονται σε μια στερεή κατάσταση, ένα φαινόμενο που έχει μπερδέψει τους επιστήμονες και τους μηχανικούς εδώ και δεκαετίες. Πρόσφατα, ερευνητές στράφηκαν σε ένα μαθηματικό πλαίσιο που χρονολογείται πάνω από μισό αιώνα, υπονοώντας μια πιθανή λύση στα μυστήρια που περιβάλλουν αυτές τις αινιγματικές ουσίες.
Σε μια μελέτη-ορόσημο, οι φυσικοί Onuttom Narayan του University of California και Harsh Mathur του Case Western Reserve University στο Οχάιο έχουν πρωτοπορήσει με μια νέα προσέγγιση για την αποκάλυψη της συμπεριφοράς των κοκκωδών υλικών καθώς πλησιάζουν ένα κρίσιμο κατώφλι γνωστό ως “σημείο εμπλοκής”, όπου η ροή μεταπίπτει σε καταστάσεις εμπλοκής – όπου, για παράδειγμα, η άμμος σταματά να ρέει μέσα σε μία κλεψύδρα.
Τα ευρήματά τους, τα οποία τεκμηριώνονται σε δημοσιευμένη εργασία, αντιμετωπίζουν μια θεμελιώδη πρόκληση που συναντάται σε διάφορες βιομηχανίες: την απότομη μετάβαση από τις καταστάσεις ροής στις καταστάσεις εμπλοκής σε χαμηλές πυκνότητες, η οποία μπορεί να εμποδίσει τον αποτελεσματικό χειρισμό των κοκκωδών υλικών.
Η έρευνα των Narayan και Mathur διερευνά τη δυναμική των δονήσεων των κοκκωδών υλικών χρησιμοποιώντας προηγμένες αριθμητικές προσομοιώσεις και γνώσεις που αντλήθηκαν από τη θεωρία τυχαίων πινάκων, έναν αξιόλογο κλάδο των μαθηματικών που ξεκίνησε τη δεκαετία του 1950.
Εξετάζοντας τις δονήσεις σε συστοιχίες σφαιριδίων πολυστυρενίου χωρίς τριβή υπό ελεγχόμενες εργαστηριακές συνθήκες, το δίδυμο αποκάλυψε μια συγκεκριμένη κατανομή δονητικών συχνοτήτων, γνωστή ως πυκνότητα καταστάσεων, η οποία περικλείει τη συμπεριφορά των κοκκωδών υλικών που πλησιάζουν στο σημείο εμπλοκής.
Βρήκαν οργανική ύλη σε δείγμα από αστεροειδή – Τα υλικά που δημιουργούν ζωή
Η έρευνά τους αποκάλυψε έναν εντυπωσιακό παραλληλισμό μεταξύ των στατιστικών ιδιοτήτων των δονούμενων κοκκωδών υλικών και των θεωρητικών προβλέψεων που προέρχονται από τη θεωρία των τυχαίων πινάκων. Αντιπαραθέτοντας αριθμητικές προσομοιώσεις με θεωρητικές προβλέψεις, οι Narayan και Mathur απέδειξαν ότι μια συγκεκριμένη κατανομή στατιστικών πιθανοτήτων, που ονομάζεται σύνολο Wishart-Laguerre, αντικατοπτρίζει με ακρίβεια τα καθολικά χαρακτηριστικά της εμπλοκής της κοκκώδους ύλης.
Επιπλέον, οι ερευνητές διαμόρφωσαν ένα ολοκληρωμένο μοντέλο ικανό να διαφωτίσει τόσο τις στατικές όσο και τις δονητικές ιδιότητες των κοκκωδών υλικών, προσφέροντας ένα συνεκτικό πλαίσιο για την κατανόηση της φυσικής τους σε διαφορετικές καταστάσεις.
Οι επιπτώσεις αυτής της έρευνας εκτείνονται πολύ πέρα από τα κοκκώδη υλικά, προτείνοντας ευρύτερες εφαρμογές του προτεινόμενου μοντέλου σε διάφορους τομείς. Ρίχνοντας φως στην περίπλοκη συμπεριφορά των κοκκωδών υλικών, η μελέτη των Narayan και Mathur προαναγγέλλει την προοπτική πιο αποτελεσματικών και τεκμηριωμένων στρατηγικών για τη διαχείριση αυτών των πανταχού παρόντων ουσιών σε διάφορα βιομηχανικά πλαίσια.
Ακολουθήστε το Techmaniacs.gr στο Google News για να διαβάζετε πρώτοι όλα τα τεχνολογικά νέα. Ένας ακόμα τρόπος να μαθαίνετε τα πάντα πρώτοι είναι να προσθέσετε το Techmaniacs.gr στον RSS feeder σας χρησιμοποιώντας τον σύνδεσμο: https://techmaniacs.gr/feed/.
