Ученые предсказывают угол покоя сухих материалов на Земле и в планетарных средах
Углом покоя принято считать угол между наклонной стороной кучи частиц и горизонталью. Этот параметр часто используется для характеристики текучести гранулированных материалов в земной и планетарной средах, таких как песок, пылевые аэрозоли и порошки. В планетарных исследованиях угол покоя является отличным показателем размера частиц. Чем меньше частица, тем больше влияние сил притяжения между атомами и молекулами на поверхность частиц относительно массы частиц, тем менее текуч материал и, следовательно, тем круче угол покоя. Ученые научились точно предсказывать угол покоя в зависимости от размера частиц, как на Земле, так и под действием внеземной гравитации.
Раньше ученые сталкивались с трудностями в определении угла покоя из-за влияния все еще плохо изученных процессов в масштабе частиц — взаимодействия между частицами в куче вызывают сопротивление качению и скольжению под действием силы тяжести. Поэтому исследователи смогли представить выражение, которое предсказывает угол покоя частиц на нашей планете. Это выражение также учитывает возможную гравитацию от 0,06 до 100 раз большей, чем на Земле.
Модель, которую ученые применили в своем численном моделировании, уже была введена Кундаллом и Страком и в течение последних десятилетий постоянно совершенствовалась, чтобы включить улучшенные модели взаимодействия частиц. Теперь модель, пересмотренная в материалах и методах, учитывает все основные силы, действующие на частицы, т. е. силы тяжести, трения и притяжения Ван-дер-Ваальса, и количественно воспроизводит твердую фракцию и структуру упаковки порошков, состоящих из различных материалов.
Одним из широко используемых методов получения зернистой кучи является метод фиксированной воронки, при котором зернистый материал высыпается через воронку или отверстие на шероховатую поверхность. В другом способе полый цилиндр, расположенный над поверхностью, заполняют материалом из твердых частиц, а затем отрывают от основания с низкой скоростью, чтобы частицы могли стекать вниз через нижний конец цилиндра. Однако трудно контролировать образование кучи сильно сцепленных частиц, ведь такое моделирование включает в себя заметно малое количество частиц, что увеличивает тенденцию к образованию сгустка, охватывающего большую долю частиц в системе. Поэтому ученые в своей работе используют другой метод, который можно рассматривать как комбинацию метода неподвижной воронки и метода полого цилиндра.
Теоретическое выражение и методика моделирования в целом, которые предсказывают угол в зависимости от размера частиц и внешних сил может оказать значительное влияние на инженерные, экологические и планетарные науки, в частности поможет усовершенствовать оборудование для агропромышленности.
