«Дюна» и физика сыпучих материалов

Недавно вышедшая вторая часть фильма «Дюна» породила научную дискуссию о том, может ли звук распространяться сквозь песок.

Зернистые материалы широко распространены (кофейные зерна, рис, песок) в повседневной жизни, но очень мало изучены. Между тем они могут рассматриваться как рубеж в фундаментальной физике. Недавнее исследование группы ученых Калифорнийского университета дает представление о распространении звука сквозь гранулированные среды. Выход научной работы удачно совпал с выходом на экраны фильма «Дюна», породившего дискуссию о возможности распространения звука через песок.

Повседневные наблюдения показывают, что гранулированные материалы ведут себя двояко: куча риса может показаться твердой, но сквозь пальцы крупа «проливается» как жидкость. Также ведет себя кофе: если его медленно засыпать в воронку, зерна будут спокойно «течь». С увеличением скорости зерна заклинивает, масса становится «твердой». Таким образом, горсть риса или чашка кофейных зерен не являются ни твердыми, ни жидкими. Они сами по себе.

В лабораторных условиях эксперименты проводятся над упаковками полистироловых шариков, поведение которых проще воспроизвести. Такие пакеты подвергли акустическим колебаниям с широким спектром частот. После статистической обработки результатов экспериментов с разными характеристиками шариков в пакетах и разными диапазонами звуковых колебаний установлены общие и особенные реакции на оказываемое воздействие. Универсальные характеристики описываются теорией случайных матриц, разработанной физиками-ядерщиками. Застрявшая зернистая материя лучше описывается формулами для распределения напряжения в сжимаемых материалах.

Работа над объединением моделей пока не завершена. Результат анализа может быть вкладом в то, как в одном изучаемом объекте могут сосуществовать свойства субатомного и привычного макромира.

Источник: phys.org