主要類型
顆粒物質在自然界、日常生活及生產和技術中普遍存在,例如:自然界中沙石、土壤、浮冰、積雪等;日常生活中的糧食、糖、鹽等;生產和技術中的煤炭、礦石、建材以及不少藥品、化工品也為顆粒物質。很多其他離散態物質體系,例如散裝貨物輸送、地球板塊運動及公路上車輛的流動等也常作為顆粒體系來處理。可以說,顆粒物質是地球上存在最多、最為人們所熟悉的物質類型之一。
特徵
顆粒物質一般指由尺寸d≥1um;的顆粒組成的巨觀體系.當顆粒尺度小於1um時,熱運動即布朗運動會有重要影響。若顆粒尺度更小,微觀相互作用則起主要作用。因此,這些小尺度的顆粒的運動規律與巨觀顆粒不同。對於巨觀顆粒,經典力學可以給出單個顆粒運動狀態的精確解。 然而,大量顆粒組成的體系具有特別的性質和運動規律。顆粒物質靜止時類似於固體,流動時則類似於液體或氣體。向地板上撒一筒沙子,沙粒並不會像水那樣平鋪在地板上,處於勢能最小狀態,而是根據拋灑方式及過程的不同形成各種不同的堆積形態,即有許多亞穩態。若將支撐一個沙堆的地板慢慢傾斜,沙子會發生流動,然而這種流動只發生在沙堆的表面幾層。如果在沙堆上繼續添加沙粒或施加擾動,超過某一臨界狀態時,就會引起沙堆崩塌! 拿一塊石子扔向沙堆,石子不會像撞在固體表面那樣反彈,而是將其動能完全耗散在沙堆中。 向一個容器內填充顆粒,顆粒對容器底部施加的壓強先隨顆粒填充高度增加而變大。到一定高度後,壓強會趨於某一飽和值而不再增大,稱之為“糧倉效應”。
顆粒有成拱的特性,顆粒物質中的力通過不均勻力鏈傳遞,不像固體和液體中的應力會均勻分布。振動會引起不同大小和質量顆粒的分離,也可在顆粒體系表面形成各種斑圖。顆粒流動中的稀疏流、密集流和堵塞等行為不同於一般流體運動。
顆粒物質的狀態,有時很穩定,而在有些情況下,會因極小的作用而改變,如發生崩塌。所有這些表明,顆粒物質是不同於固體、液體和氣體的一種特殊的物質形態,它具有豐富的現象和不同於固、液、氣物質的獨特的運動規律。
顆粒物質中的相互作用不同於原子或分子之間的作用,顆粒之間作用主要是摩擦力以及碰撞,對其組成的單個顆粒本身的物理性質不敏感! 若用硬球來表示顆粒,任意堆積的顆粒結構呈無序狀態。
研究歷史
利用顆粒物質的特性及開展對顆粒物質的研究已有很長的歷史。顆粒物質的一些獨特性質早已為人們發現。沙漏作為計時器比水漏更簡便和準確,就是利用了沙粒從孔中流出的流速不像水流那樣隨壓強改變的特性。通過簸箕的顛、搖、晃把沙粒、穀皮等雜質從穀物中分離出來,則是利用外加振動實現顆粒分離的常見例子。這一現象的發現相當久遠,我國至少在南朝就有“簸之揚之,糠秕在前。洮之汰之,砂礫在後。 ”的說法了( 出自《世說新語》,南朝.宋)。文藝復興之後的幾個世紀以來,不少著名科學家研究過顆粒物質。庫倫最早提出沙堆傾斜角度與摩擦係數關係,他的有關固體摩擦問題的表述現在還被反覆提及。 法拉第發現振動使顆粒形成對流而堆積起來。雷諾1885年指出,如果顆粒緊密堆積在一個彈性袋中,任何外加作用都會使顆粒所占體積增大,稱之為雷諾擠壓膨脹原理。1884年,英國科學家首先注意到前面提到的糧倉效應後,德國工程師janssen H在1895年提出一個模型來解釋糧倉效應,這一模型直到現在已被人們普遍接受.
儘管工業、工程及技術界一直以套用為目標對顆粒物質的生產、加工、輸送等進行了長時間的研究,但物理學家對其研究興趣的興起還是近十多年的事。顆粒物質不但廣泛存在,而且與工業技術和人們生活密切相關。全世界穀物及其他各種顆粒物的年產量數以百億噸計。 其中包括煤、礦石、水泥建材、砂子與碎石等低附加值材料,以及高附加值的食品、工業原料、藥品和化裝品等。這些物質的生產、運輸、加工及儲存,每年約消耗地球上10% 的能量。對顆粒物質的深入認識將會對全球工業與經濟的發展有極大助益。為防治土石流、雪崩、浮冰、滑坡、沙漠化、地震等自然災害,也必須了解顆粒物質的運動規律。公路交通流問題也與顆粒流規律密切相關。這些是顆粒物質本身的重要性。另一方面,顆粒物質具有不同於其他物質的許多奇特性質,其基本規律遠沒有被認識清楚。
近年來,雖然開展了關於顆粒物質的多方面的實驗和模擬計算,獲得了許多有意義的結果,但對其運動規律研究的認識還很膚淺,描述顆粒物質的基本理論尚未建立,有關顆粒物質的一些最基本問題還在困擾人們。
顆粒物質是一類複雜體系,研究顆粒物質,不僅有重要套用背景,對這類物質狀態運動規律的深入認識也將會促進物理學的新發展。