研究成果

流沙, 地震, 土石, 與沙漏裡的物理:“動靜之間”

刊登日期:2021-03-23

顆粒體流動(granular flow)的多樣性自古一直缺乏統整的解釋. 但在近期的Physical Review Letters 中, 本所蔡日強實驗室團隊的發現, 為這個統合提供了可能的起點: 主實驗聚焦在觀察緊壓於液體裡膠質顆粒的剪切流(shear flow), 其應力隨施加的轉速呈現的消長及震盪變化(fluctuations). 此團隊也同時藉由實測並納入"摩擦力隨接觸面行進速度變化"這個久為人知但常被理論忽略的因素, 歸納出新的無因次量(dimensionless number) --- 依此, 主實驗裡為何在"中等"轉速範圍會出現如地震般的間歇性(intermittent)流動及崩裂(avalanche), 得以有合理的解釋. 上述這種間歇流的出現, 更可視為同樣系統處於較高轉速下類似流沙(quicksand)的"完全液化", 及極低轉速下可比擬於沙漏裡的“準靜態(quasi-static)流動”, 這兩種迥異行為之間的過渡狀態(transition).

過去二十年間, 物理學家們並不乏對某些理想化的情形, 使用諸如Inertial Number [1] 或 Viscous Number [2] 來描述顆粒體流動的範例. 然而, 對於生活中更常見的實況, 也就是由顆粒間的摩擦力引發的各式現象的解讀, 卻仍莫衷一是. 本所團隊剛發表的觀察, 則為顆粒流對應於"固態"(solid), "液態"(liquid), 及 "懸浮態"(suspension) 之間的統合跨出了第一步, 被審稿者之一評為 "provides a new anchoring point in the climb towards a complete understanding of disordered media flows and should certainly inspire new modeling approaches....."

原文 "Signature of Transition between Granular Solid and Fluid: Rate-Dependent Stick Slips in Steady Shearing" by Jih-Chiang (JC) Tsai, Guan-Hao Huang, and Cheng-En Tsai

延伸閱讀:
[1] Forterre and Pouliquen, Annu. Rev. Fluid Mech. 40(1), 1–24. (2008);
[2] Guazzelli and Pouliquen, J. Fluid Mech. 852, P1 (2018).

files/bpic20210318032632pm_bpic20210220013816pm_to_PRL.png

期刊連結: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.128001

Back To Top