Hispanopedia Wiki
Articulo de referencia

convección granular

{{Cite journal |last1=Aranson |first1=Igor S. |last2=Tsimring |first2=Lev S. |date=2006-06-01 |title=Patterns and collective behavior in granular media: Theoretical concepts |ur...

Hispanopedia WikiContenido en espanolLectura gratuita
Problema sin resolver en física
¿Cuál es la explicación definitiva [ 1 ] de por qué ocurre este fenómeno?
Más problemas sin resolver en física
En una porción de frutos secos mixtos , las nueces de Brasil más grandes a menudo terminan en la superficie.
Una demostración del efecto de la nuez de Brasil utilizando un frasco de vidrio, una taza de arroz y una pila de monedas que actúa como intruso, ubicado inicialmente en el fondo.

La convección granular es un fenómeno en el que un material granular sometido a agitación o vibración exhibe patrones de circulación similares a los de la convección de fluidos . [ 2 ] A veces se le llama efecto nuez de Brasil , [ 3 ] cuando las partículas más grandes de forma irregular terminan en la superficie de un material granular que contiene una mezcla de objetos de diversos tamaños. [ 4 ] Este nombre deriva del ejemplo de un típico envase de frutos secos mixtos , en el que las nueces de Brasil son las más grandes . El fenómeno también se conoce como efecto muesli, ya que se observa en paquetes de cereales para el desayuno que contienen partículas de diferentes tamaños pero de densidad similar , como la mezcla de muesli .

En condiciones experimentales, se ha observado la convección granular de partículas de diversos tamaños formando celdas de convección similares al movimiento de fluidos. [ 5 ] [ 6 ]

Explicación

Un vídeo que muestra cómo agitar una bolsa de muesli hace que los ingredientes más grandes suban a la superficie.

Puede resultar contraintuitivo descubrir que las partículas más grandes y (presumiblemente) más pesadas ascienden a la parte superior, pero existen varias explicaciones posibles:

  • Cuando los objetos tienen formas irregulares, el movimiento aleatorio provoca que algunos elementos oblongos giren ocasionalmente en una orientación vertical. Esta orientación vertical permite que los elementos más pequeños caigan debajo del elemento más grande. [ 4 ] Si el movimiento posterior provoca que el elemento más grande se reoriente horizontalmente, entonces permanecerá en la parte superior de la mezcla. [ 4 ]
  • El centro de masa del sistema completo (que contiene las nueces mezcladas) en un estado arbitrario no es óptimamente bajo; tiende a ser más alto debido a que hay más espacio vacío alrededor de las nueces de Brasil más grandes que alrededor de las más pequeñas. Cuando se agitan las nueces, el sistema tiende a pasar a un estado de menor energía, lo que significa que el centro de masa desciende al bajar las nueces más pequeñas y, por consiguiente, al elevar las nueces de Brasil.
  • Incluyendo los efectos del aire en los espacios entre partículas, las partículas más grandes pueden flotar o hundirse. Las partículas más pequeñas pueden caer en los espacios debajo de una partícula más grande después de cada agitación. Con el tiempo, la partícula más grande asciende en la mezcla. (Según Heinrich Jaeger , "[esta] explicación para la separación por tamaño podría funcionar en situaciones en las que no hay convección granular, por ejemplo, para recipientes con paredes laterales completamente sin fricción o muy por debajo de la superficie de recipientes altos (donde la convección está fuertemente suprimida). Por otro lado, cuando la fricción con las paredes laterales u otros mecanismos establecen un patrón de rodadura convectiva dentro del recipiente vibrado, encontramos que el movimiento convectivo se convierte inmediatamente en el mecanismo dominante para la separación por tamaño." [ 7 ] )
  • La misma explicación, sin recurrir a argumentos sobre flotabilidad o centro de masa: a medida que una partícula más grande asciende, el movimiento de partículas más pequeñas hacia los espacios inferiores impide que la partícula más grande vuelva a su posición original. El movimiento repetitivo provoca que más partículas pequeñas se deslicen por debajo de las más grandes. Una mayor densidad de las partículas más grandes no afecta a este proceso. No es necesario agitar el sistema; cualquier proceso que eleve las partículas y luego las deje asentarse tendría este efecto. El proceso de elevación de las partículas transfiere energía potencial al sistema. El resultado de que todas las partículas se asienten en un orden diferente puede ser un aumento de la energía potencial, es decir, una elevación del centro de masa.
  • Al ser agitadas, las partículas se mueven mediante un flujo de convección inducido por la vibración ; cada partícula asciende por el centro, atraviesa la superficie y desciende por los laterales. Si se trata de una partícula grande, esta ascenderá hasta la parte superior por efecto de la convección. Una vez arriba, la partícula grande permanecerá allí, ya que las corrientes de convección son demasiado estrechas para arrastrarla hacia abajo a lo largo de la pared.
  • La distribución del tamaño de los poros de un empaquetamiento aleatorio de esferas duras de diversos tamaños hace que las esferas más pequeñas tengan mayor probabilidad de moverse hacia abajo por gravedad que las esferas más grandes. [ 8 ]

El fenómeno está relacionado con la paradoja de Parrondo , ya que las nueces de Brasil se mueven hacia la parte superior de la mezcla de nueces en contra del gradiente gravitacional cuando se someten a una agitación aleatoria. [ 9 ]

Técnicas de estudio

La convección granular se ha investigado mediante el uso de imágenes por resonancia magnética (IRM), [ 10 ] donde se pueden visualizar rollos de convección similares a los de los fluidos ( celdas de Bénard ).

Otros estudios han utilizado tomografías computarizadas de lapso de tiempo , fluidos con índice de refracción similar y trazado de emisión de positrones . [ 4 ] En el extremo menos tecnológico de la escala, los investigadores también han utilizado cajas delgadas de plástico transparente, de modo que el movimiento de algunos objetos sea directamente visible. [ 4 ]

El efecto se ha observado incluso en partículas diminutas impulsadas únicamente por el movimiento browniano sin aporte de energía externa. [ 11 ]

Aplicaciones

Fabricación

Pasas y copos de salvado dentro de una caja de cereales. Se aprecian varias pasas sobre los copos.
Este fenómeno provoca que las pasas tiendan a subir a la parte superior de la caja de cereales para el desayuno , de modo que las primeras porciones de cereal contengan más pasas de lo habitual, y solo queden copos en el fondo de la caja.

El efecto es de interés para la fabricación de alimentos y operaciones similares. [ 4 ] Una vez que se ha producido una mezcla homogénea de materiales granulares, generalmente no es deseable que los diferentes tipos de partículas se segreguen. Varios factores determinan la gravedad del efecto de la nuez de Brasil, incluyendo el tamaño y la densidad de las partículas, la presión de cualquier gas entre las partículas y la forma del recipiente. Una caja rectangular (como una caja de cereales para el desayuno ) o un cilindro (como una lata de nueces) favorecen el efecto, mientras que un recipiente con paredes inclinadas hacia afuera (como en una geometría cónica o esférica) produce lo que se conoce como el efecto inverso de la nuez de Brasil . [ 12 ]

Astronomía

En astronomía , es común en asteroides de baja densidad o de acumulación de escombros , por ejemplo el asteroide 25143 Itokawa [ 13 ] y 101955 Bennu . [ 14 ]

Geología

En geología , este efecto es común en zonas anteriormente glaciadas, como Nueva Inglaterra , y en regiones de permafrost donde el paisaje se moldea en montículos por la acción del hielo : cada año aparecen nuevas piedras en los campos desde las profundidades del subsuelo. Horace Greeley señaló: «Recoger piedras es una labor interminable en una de esas granjas de Nueva Inglaterra. Por mucho que se recojan, la siguiente labranza desentierra una nueva erupción de cantos rodados y guijarros, del tamaño de una nuez de nogal americano hasta el de una tetera». [ 15 ] Una pista sobre la causa aparece en su descripción posterior: «Este trabajo se realiza principalmente en marzo o abril, cuando la tierra está saturada de agua helada». El agua subterránea se congela, elevando todas las partículas que se encuentran sobre ella. A medida que el agua comienza a derretirse, las partículas más pequeñas pueden asentarse en los espacios abiertos, mientras que las más grandes siguen elevadas. Para cuando el hielo ya no sostiene las rocas más grandes, estas están al menos parcialmente sostenidas por las partículas más pequeñas que se deslizaron por debajo. Los ciclos repetidos de congelación y descongelación en un solo año aceleran el proceso.

Este fenómeno es una de las causas de la gradación inversa que se puede observar en muchas situaciones, incluida la licuefacción del suelo durante terremotos o deslizamientos de lodo . La licuefacción es un fenómeno general en el que una mezcla de fluido y material granular sometido a vibración conduce finalmente a patrones de circulación similares tanto a la convección de fluidos como a la convección granular. De hecho, la licuefacción es convección fluido-granular con patrones de circulación que se conocen como ebullición de arena o volcanes de arena en el estudio de la licuefacción del suelo. [ 16 ] La convección granular también se ejemplifica con el flujo de detritos , que es un deslizamiento de tierra licuado de rápido movimiento de escombros saturados no consolidados que se ve como hormigón fluyendo. Estos flujos pueden transportar material que varía en tamaño desde arcilla hasta rocas, incluidos restos leñosos como troncos y tocones de árboles. Los flujos pueden ser desencadenados por lluvias intensas, deshielo de glaciares o una combinación de ambos.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Aranson, Igor S.; Tsimring, Lev S. (2006-06-01). "Patrones y comportamiento colectivo en medios granulares: conceptos teóricos" . Reviews of Modern Physics . 78 (2): 641– 692. arXiv : cond-mat/0507419 . Bibcode : 2006RvMP...78..641A . doi : 10.1103/RevModPhys.78.641 . Sin embargo, a pesar de los importantes esfuerzos de muchos grupos, la descripción teórica de los sistemas granulares sigue siendo en gran medida una plétora de conceptos y enfoques diferentes, a menudo contradictorios.
  2. ↑ Möbius, Matthias E.; Lauderdale, Benjamin E.; Nagel, Sidney R.; Jaeger, Heinrich M. (2001). "Separación por tamaño de partículas granulares" . Nature . 414 (6861): 270. doi : 10.1038/35104697 . PMID 11713519 . 
  3. ↑ Rosato, A.; Strandburg, KJ; Prinz, F.; Swendsen, RH (1987). "Por qué las nueces de Brasil están en la cima". Physical Review Letters . 58 (10): 1038– 41. doi : 10.1103/physrevlett.58.1038 . PMID 10034316 . 
  4. 1 2 3 4 5 6 Gajjar, Parmesh; Johnson, Chris G.; Carr, James; Chrispeels, Kevin; Gray, JMNT; Withers, Philip J. (2021-04-19). "Segregación de tamaño de materiales granulares irregulares capturada mediante imágenes 3D resueltas en el tiempo" . Scientific Reports . 11 (1): 8352. doi : 10.1038/s41598-021-87280-1 . ISSN 2045-2322 . PMC 8055975. PMID 33875682 .   
  5. ↑ Rietz, Frank; Stannarius, Ralf (2008). "Al borde del atasco: convección granular en contenedores densamente llenos". Physical Review Letters . 100 (7) 078002. arXiv : 1706.04978 . Bibcode : 2008PhRvL.100g8002R . doi : 10.1103/PhysRevLett.100.078002 . PMID 18352597 . S2CID 28054132 .  
  6. ↑ Se forman patrones desconcertantes en el entorno científico experimental , Wired, Brandon Keim, 28 de octubre de 2009
  7. ↑ "Preguntas y respuestas con Sidney Nagel y Heinrich Jaeger" . Pbs.org . Consultado el 27 de septiembre de 2010 .{{cite web}}: CS1 maint: servicio de archivado obsoleto ( enlace )
  8. ↑ W. Soppe, Simulación por ordenador de empaquetamientos aleatorios de esferas duras, Powder Technology, Volumen 62, Número 2, agosto de 1990, Páginas 189-197, https://doi.org/10.1016/0032-5910(90)80083-B
  9. ↑ Abbott, Derek (2009). «Desarrollos en la paradoja de Parrondo». Aplicaciones de la dinámica no lineal . Springer. págs. 307–321 . ISBN  978-3-540-85631-3.
  10. ↑ Ehrichs, EE; Jaeger, HM; Karczmar, GS; Knight, JB; Kuperman, V. Yu.; Nagel, SR (1995). "Convección granular observada mediante imágenes de resonancia magnética". Science . 267 (5204): 1632– 4. Bibcode : 1995Sci...267.1632E . doi : 10.1126/science.267.5204.1632 . PMID 17808181 . S2CID 29865605 .  
  11. ↑ Varsovia, Universidad de. "Desafiando la gravedad con el efecto de la nuez de Brasil" . phys.org . Consultado el 21 de abril de 2023 .
  12. ↑ Knight, James B.; Jaeger, HM; Nagel, Sidney R. (1993-06-14). "Separación de tamaño inducida por vibración en medios granulares: La conexión con la convección". Physical Review Letters . 70 (24): 3728– 3731. Bibcode : 1993PhRvL..70.3728K . doi : 10.1103/PhysRevLett.70.3728 . ISSN 0031-9007 . PMID 10053947 .  
  13. ↑ Nemiroff, R.; Bonnell, J., eds. (22 de abril de 2007). "Secciones lisas del asteroide Itokawa" . Imagen astronómica del día . NASA .
  14. ↑ Wright, Esteban; Quillen, Alice C.; South, Juliana; Nelson, Randal C.; Sánchez, Paul; Siu, John; Askari, Hesam; Nakajima, Miki; Schwartz, Stephen R. (2020). "Rebotes en asteroides: Estudio experimental de impactos rasantes de baja velocidad en medios granulares" . Icarus . 351 113963. arXiv : 2002.01468 . Bibcode : 2020Icar..35113963W . doi : 10.1016/j.icarus.2020.113963 . PMC 7571586. PMID 33087944. S2CID 219965690 .   
  15. ↑ extracto de Recuerdos de una vida ajetreada Enlace obsoleto archivado el 10/09/2012 en archive.today , por Horace Greeley 1869
  16. ↑ Taslimian, Rohollah (2024). "Simulación basada en fluidos turbulentos de licuefacción dinámica mediante análisis de grandes deformaciones de la fase sólida" . American Journal of Engineering and Applied Sciences . 17 (2): 51– 55. ISSN 1941-7039 . 
  • Cuentas en una caja en YouTube
  • El efecto de la nuez de Brasil en PhysicsWeb
  • Yan, X.; Q. Shi; M. Hou; K. Lu; CK Chan (2003-07-03). "Efectos del aire en la segregación de partículas en un lecho granular agitado". Physical Review Letters . 91 (1) 014302. Bibcode : 2003PhRvL..91a4302Y . doi : 10.1103/PhysRevLett.91.014302 . PMID 12906541 . 
  • «¿Por qué los brasileños siempre terminan en la cima?» , BBC News , 15 de noviembre de 2001
  • "¿Por qué agitar una lata de café hace que los granos más grandes suban a la superficie?" , Scientific American , 9 de mayo de 2005
  • "Sobre bolsas de aire, avalanchas y seguridad contra avalanchas" , Toronto Star , 13 de enero de 2008
  • Bowley, Roger (2009). "Γ – Relación de aceleración a gravedad (y el efecto de la nuez de Brasil)" . Sesenta símbolos . Brady Haran para la Universidad de Nottingham .