![]() |
رمال كالفقاعات |
لأول مرة ، أظهر المهندسون كيف يمكن أن تتشكل فقاعات الحبوب الأخف في الرمال ، تمامًا كما يمكن أن تكون في سوائل أخرى - على الرغم من أن المواد الحبيبية تميل إلى الاختلاط.
على الرغم من أن حبيبات الرمل الفردية صلبة ، عندما تحصل على الكثير منها ، فإنها تتصرف بشكل مدهش مثل السائل - فكر في سقوط الكثبان الرملية أو الانهيارات الثلجية أو الرمال التي تتدفق عبر زجاج الساعة. تسمى هذه المواد الحبيبية ، ولا تزال فيزياء كيفية تدفقها غامضة إلى حد ما مقارنة بالسوائل.
في ديناميات الموائع ، هناك آلية تسمى عدم استقرار رايلي تايلور (RT). يحدث ذلك في الواجهة بين اثنين من السوائل عندما تكون بكثافة مختلفة ، والسائل الأخف يدفع ضد الأثقل - مثل النفط الذي يتدفق عبر الماء ، أو انفجارات المستعرات الأعظمية حيث يدفع الغاز الأخف وزنا إلى الكثافة المحيطة بالمغلف.
لم يسبق له مثيل من قبل في المواد الحبيبية. لكن هذا يشبه بشكل لافت ما اكتشفه المهندسون من جامعة كولومبيا و ETH زيورخ.
وقال المهندس الكيميائي كريس بويس من كولومبيا "نعتقد أن اكتشافنا تحول."
"لقد وجدنا تناظرية حبيبية لواحدة من آخر مشاكل عدم الاستقرار الميكانيكية الكبيرة. في حين تم اكتشاف نظائرها من عدم الاستقرار الرئيسي الأخرى في التدفقات الحبيبية في العقود الأخيرة ، إلا أن عدم استقرار RT كان بعيدًا عن المقارنة المباشرة."
وجد الفريق أن كل من الاهتزاز وتدفق الغاز التصاعدي عبر مادة حبيبية يمكن أن ينتج عملية مماثلة لعدم الاستقرار RT. تبدأ الحبوب الخفيفة في الارتفاع من خلال الحبوب الأثقل في الأصابع (شكل رقيق طويل) وفقاعات تترك آثارًا من الجزيئات في أعقائها.
إنه يشبه إلى حد كبير كيف يرتفع النفط عبر الماء ، ولكن بفارق كبير واحد. النفط والماء لا يحبون الاختلاط. الرمال لا.
باستخدام طرق النمذجة التجريبية والحسابية ، تمكن الباحثون من معرفة كيف ارتفعت فقاعات تتكون من حبيبات أخف من الرمال عبر طبقة من الحبوب الأثقل.
ذلك لأن مجموعات الحبيبات الأخف والأكبر تسمح للغاز (في هذه الحالة ، الهواء) بالتدفق بسهولة أكبر من الحبوب الأثقل والأصغر. هذا يزيد من التوتر بين قوة السحب التصاعدي الناتجة عن تدفق الغاز وقوى التلامس الهابطة ، مما يؤدي إلى عدم استقرار يشبه RT.
على الرغم من أن النتيجة متشابهة ، إلا أن العملية تختلف فعليًا عن الآلية الكامنة وراء عدم استقرار RT في السوائل.
ولاحظ الفريق بعض الأشياء الأخرى المثيرة للاهتمام أيضًا. على سبيل المثال ، يولِّد تدفق الغاز عدم استقرار آخر ، مثل ما يصفه الباحثون في ورقتهم باسم "المتفرعة المتتالية من قطرة حبيبية تنازلية".
هذا يشبه عدم استقرار RT الذي يلاحظ عند إسقاط الصبغة في الماء ، ولكن ليس تمامًا ، لأننا نعمل بالرمال هنا.
يخلق وزن القطرة الهابطة من الحبوب الأثقل سلاسل قوة أدناه ، والتي لا يمكن أن يمر فيها الهبوط. لذلك تنقسم إلى فروع في طريقها إلى الأسفل ، مثل البرق.
والنتيجة الأخرى هي أن عدم الاستقرار الذي يشبه RT في الرمال يمكن أن ينشأ في ظل مجموعة واسعة من ظروف تدفق الغاز والاهتزاز - والتي ، من بين أمور أخرى ، يمكن أن تساعد في فهم العمليات الجوفية التي تلعبها أثناء هزات الأرض.
وقال بويس: "لا يمكن أن تفسر نتائجنا التكوينات الجيولوجية والعمليات التي ترتكز عليها الرواسب المعدنية فحسب ، بل يمكن استخدامها أيضًا في تقنيات معالجة المسحوق في صناعات الطاقة والبناء والأدوية".
"نحن متحمسون بشكل خاص للتأثير المحتمل لنتائجنا على العلوم الجيولوجية - فهذه الاضطرابات يمكن أن تساعدنا في فهم كيف تشكلت الهياكل على مدار تاريخ الأرض الطويل وتوقعت كيف يمكن للآخرين أن يتشكلوا في المستقبل."
ترجمة وتتدقيق : د/أحمد الديب
المصدر
إرسال تعليق