反常流动的实验现象和解释
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发布时间：2022-04-29 07:19
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时间：2022-06-21 02:01
欧洲人常用一种叫作穆兹利的早餐，就是把燕麦片和巴西果等等干果混合在一块儿，早晨谁起来，就倒出来一些作早餐。但是人们往往发现，每天第一个从盒里倒出穆兹利的人总会得到最大个儿的巴西果，而最后倒穆兹利的人就只能得到燕麦片。
并不是人们特别偏爱大个的巴西果，把它们放在最上面奖励早起的人，而是这些由颗粒组成的混合物本身就有这么个古怪的行为。按照我们通常的想法，摇动一堆不同大小的混合物，比较大、比较重的理应沉在最下面。但你可以自己动手做个实验，把一个硬币投入一个糖罐之中，然后上下有规律地摇动，你将发现，钱币逐渐浮现出来，最后，这个失踪的硬币会出现在糖罐的最上层。
这就是著名的“巴西豆效应”。这个魔术只有具有颗粒性质的物质才能变得出。
常见的颗粒物质
所谓颗粒物质，就是直径在1微米以上的大量颗粒组成的大集体。颗粒物质太常见了！海滩边俯首即是的沙粒，积雪、泥石流、土壤和浮冰，春天偶尔一见的沙尘暴，还有生产中使用的成堆的矿石、煤炭等等，日常生活中的粮食、药品、糖、盐、化妆品等等，都是颗粒物质。甚至路上的车辆、地球上的板块漂移，都可以看成是颗粒系统。可见，它其实是地球上存在最多，也最为我们所熟悉的物质之一。
颗粒物质不但广泛存在，而且与工业技术和人们生活密切相关！全世界谷物及其他各种颗粒物的年产量数以百亿吨计！其中包括煤、矿石、水泥建材、砂子与碎石等材料，以及食品、工业原料、药品。这些物质的生产、运输、加工及储存，每年约消耗全球总能量的10%！
虽然几句话就能概括颗粒物质是什么，然而面对这种既不太大，又不太小的随处可见的普通集体，科学家们却远不能用现有的理论，来解释它们的行为。原因是：它们实在太“反常”了。
长期以来，我们习惯把物质状态分为气态、液态和固态，而颗粒物质却是一种特殊的物质形态，单一颗粒可以看作是固体，但是当它们以成千上万的数量累积时，情况就复杂了。它不同于固体、液体和气体的任何一种，反过来，我们也可以说，它集这三种形态的特点为一身。
会飘扬的“固体”
普通的物质，比如最常见的水，是以温度来衡量的，当温度高于水的沸点时，水是以气态存在的，温度在水的凝固点之下时，以固态存在。温度高低是水的形态发生改变的重要因素，而对于颗粒物质，高温虽然会令单个沙粒内部的热状态发生变化，但是加热一堆沙子，得到的还是一堆沙子。但它却可以在同一个温度条件下，同时表现出固、液、气三态的特性来！
比如，倾倒一堆颗粒的时候，我们可以看到一种类似气态的纷纷扬扬的飘扬景象；而当它在地面堆积起来时，是类似固态的形式存在的；而在堆积起来的表面流动着的颗粒，则相当于液态。
虽然颗粒的散落可以看作是一个气态过程，但它跟气体是有所不同的。首先，它比气体分子重多了，它们不会随温度的升高而到处乱动；其次，它有团聚在一起的倾向，不像气体分子那样四处流浪，它们喜欢聚在一起，然后安安静静地呆在一个地方。
会流动的“固体”
那么颗粒与液体之间有什么相似和不同呢？仍以水为例，水遇方成方，逢长适长，容器的形状塑造了水的形态；沙子虽然也能适应各种形状的容器，但脱离了容器，它不会像水一样平铺在地面上，而是堆积成形，保持一种亚稳态。这种看起来稳定的状态经不住小的干扰，很容易就会被摧毁。
夏天到来，我们可以约朋友一起到海滩上堆沙，看谁把沙堆得更高。我们慢慢地在同一个地方倾倒沙子，堆积沙堆，沙堆变得越来越陡峭——突然，当表面倾斜地大到一个程度以后，沙堆会由稳定的静止状态，转换到一个不稳定的流动态，细细的沙子像流水一样沿着沙堆滚淌下来。在这个关键的时刻，增加一粒沙也能触发全面性的崩塌！而当崩塌结束时，沙堆的表面将回成到它稳定的倾斜角度。这时，即使增加更多颗粒，沙堆的斜率仍然保持的差不多。这和一般正常的流体是完全不同的，颗粒的确产生了类似液体的流动，但是流动只发生在表面，而液体的流动是始终是内外一致保持连续的。
这种戏剧性的变化，也存在于其他一些自然现象中。在高山雪地，我们可能遇上令人恐怖的雪崩。雪崩在30°～45°之间的斜坡最容易被引发。而连续若干小时的降雪，更会令危险加倍，这也是为什么登山者不会在大雪之后马上行动的一个原因。而真正使潜在危险演变成雪崩的诱因，可能只是滑雪板的压力，动物的行走，或者是高声尖叫这一类细小的外力作用。
会分层的“固体”
我们小心调配的饮料，在经过搅拌之后，液体会逐渐混合均匀。而对颗粒物质施加扰动，非但不会使它混合均匀，反而呈现出分层的现象，这种现象就是我们开头提到的巴西果效应。
我国至少在南朝就有“簸之扬之，糠秕在前！洮之汰之，砂砾在后！”的说法了。讲的就是通过簸箕的颠、摇、晃把沙粒、谷皮等杂质从谷物中分离出来。液体中也会有分层的现象，不过它依据的是液体密度的差异，由大到小依次实现的。
对于这种分层效应产生的原理，科学家各有不同的认识。一种观点认为是振动使小颗粒从大颗粒的间隙中穿过，掉到下方，大颗粒在它们的支撑下留在了顶部。而另一些人则认为是振动导致颗粒物质之间形成了对流进而造成了颗粒的分离，在一个振动的柱状容器中，颗粒也会形成对流，这不仅会造成纵向的颗粒分离，在水平方向上，不同的颗粒也会发生分离。
固体？似是而非
那么它是固体？固体总是能保持固定的形状和体积。尽管颗粒静止时的状态和固体很相似，但是使这些分散的沙粒聚集在一起的作用力，远比固体内部粒子间作用力要小得多。
对于固体，我们向下压，它会受到向下的压力。而颗粒物质里面，受力却是不均匀的，力顺着所谓的力链分布的方向传播的，通过力链形成力的网络，这个网络也不是均匀的！力链上颗粒的应力很强，而其旁边的颗粒受力可很弱，甚至不受力！因此，处于力链上颗粒的任何局部的或微小的位置变动都可能引起颗粒体系力分布的很大变化，造成整体的“屈服”！例如，在自然界，有时一些小的扰动就会引起雪崩和塌方的发生！另一方面，不处于力链上的颗粒的变动，则一般不会对整个颗粒体系产生什么重要的影响！
在温度和压力一定的情况下，固体和液体的密度是确定的。但对于颗粒物质来说，任何外力的介入，都可能引起它堆积的形状发生变化，形态的改变意味着密度的改变。而颗粒的堆积密度可能产生两种变化：买米的时候，摇晃几下容器，就可以装更多的米，因为米粒之间的空隙被压缩，因此密度变大，从而体积变小，这是外加作用使颗粒堆积密度增大的例子；而海边的湿沙滩被太阳晒干后，原本被海水浸润而排列紧密的沙子，就会变得疏松膨胀。实际上这并不是沙子的密度，而是沙子的堆积密度。
摩擦力变出的魔术
这么多颗粒聚在一起，免不了磕磕碰碰吧？确实，碰撞和摩擦正是颗粒们每时每刻的主要运动。一个外力到来时，颗粒会通过相互的接触，把力一个接一个地传递出去，就像田径中的接力赛一样。在一个沙堆中，每粒沙都和很多沙粒挤在一起，那么这种传递就不是一对一，而是以一传十，十传百的速度发生了。由于沙子的摩擦力足够大，所以外力很容易被消耗掉，也就是说，沙堆很快就能形成一个亚稳态。但如果摩擦力太小，比如一些光滑的玻璃珠要形成一个亚稳态，就会经历很长的过程。
粮仓效应就是颗粒用摩擦力变出的魔术。100多年前，英国物理学家就发现粮仓底部的压力在粮仓高度大于底部直径的两倍后便不再增加了，就是说当容器内颗粒的高度超过一定值后，底部压力基本保持不变。压力是很不均匀而且有方向性地传播的，有一些地方是并没有压力存在的。这是因为当谷粒倒入谷仓后，将有一部分的力传递到谷仓四周的墙壁上，于是重力可以被墙壁的摩擦力承受。这也就是为什么谷仓并不像水坝一样需要随着深度的增加而逐渐加厚管壁。基本上，谷仓的厚度大约都是一个固定的厚度。
横向分散力的本领
如果问你：水果摊上以锥形堆起来的苹果当中，哪一个受到的压力最大而最容易被压坏？你一定认为，底部正*的那个苹果由于上方堆放苹果最多，所以受到的压力最大。事实并非如此，这个苹果所受的压强比同一层中附近的其它苹果要小。当颗粒体系受到纵向的压力时，颗粒内部承受力的方向有横向分布的倾向。这种倾向造成颗粒物质成拱现象的发生。正是颗粒内部的成拱结构，将力分散到果堆外围部分，从而形成了中间颗粒受力小的“压力凹陷”情况。所以最先被扔进垃圾堆的肯定不是它，而是它旁边几圈的某些苹果。
成拱现象是颗粒体系的独特行为之一。拱有可能破裂，如果晃动一下，流动就会继续，直到下一次成拱现象的出现。实际上，颗粒由漏斗口流出的过程，就是拱在出口处不断破坏和形成的过程。
成拱效应产生了所谓的“瓶颈效应”，这在我们生活中很常见。交通从顺畅到拥挤的状况，正好比颗粒由稀疏流向密集流的转变。人流就好比是相互碰撞、摩擦的颗粒，当大量的人群失去控制的涌向路口时，好像发生成拱现象的*一样，会牢牢堵在那里。生活经验告诉我们，当人群通过一个入口时，如果能有序的依次行进，就可以保持畅通的流动，速度越快，流量也就越大；而当人群开始拥挤混乱时，流量会急剧减少。
参考资料：《大科技》杂志：奇特的颗粒物质
