Granular material

Granular material


미세한 물질은 입자가 상호작용할 때마다 에너지가 손실되는 특징이 있는 이산 고체, 거시적 입자의 조합이다(가장 일반적인 예는 곡물이 충돌할 때 마찰이 될 것이다). 미세한 물질을 구성하는 성분은 열 운동 변동에 영향을 받지 않을 정도로 충분히 크다. 따라서, 낟알의 크기 하한은 약 1 μm이다. 상단의 크기 제한에서, 개별 알갱이가 빙산인 아이스 플로와 개별 알갱이가 소행성인 태양계의 소행성 벨트에 세밀한 물질의 물리학을 적용할 수 있다. 세분화된 물질의 예로는 눈, 견과류, 석탄, 모래, 쌀, 커피, 옥수수 가루, 비료, 베어링 볼 등이 있다. 따라서 세밀한 물질에 대한 연구는 직접적으로 적용되며 적어도 세밀한 물질에 대한 마찰의 법칙이 원래 명시되었던 샤를-아우구스틴 드 쿨롱에게 거슬러 올라간다. 세분화된 재료는 제약 산업, 농업, 에너지 생산과 같이 다양한 응용 분야에서 상업적으로 중요하다.

가루들은 입자 크기가 작기 때문에 세밀한 물질의 특수한 등급으로, 가스에 더 응집력이 있고 더 쉽게 매달릴 수 있다.

군인이자 물리학자 랄프 알제리 바놀드는 세밀한 물질의 물리학의 초기 개척자였으며, 그의 저서인 "풍선 모래와 사막의 모래언덕의 물리학"은 오늘날까지 중요한 참고 자료로 남아 있다. 물질과학자 패트릭 리차드에 따르면 "그란컬러 물질은 자연에서 어디에나 있으며 산업에서 두 번째로 조작이 많은 물질(첫 번째는 물)"이라고 한다. 어떤 의미에서 세밀한 물질은 물질의 단면을 구성하는 것이 아니라 곡물당 평균 에너지에 따라 고체, 액체 또는 가스를 연상시키는 특성을 가지고 있다. 그러나 이러한 각 상태에서는 세분화된 재료도 고유한 특성을 나타낸다. 또한 미세한 재료는 흥분할 때 광범위한 패턴 형성 동작을 나타낸다(예: 진동 또는 흐름 허용). 흥분하는 그런 세분화된 물질은 복잡한 시스템의 한 예로 생각할 수 있다.


과립 고형분

개별 곡물의 평균 에너지가 낮고 곡물이 서로에 비해 상당히 고정되어 있을 때, 세밀한 물질은 고체처럼 작용한다. 일반적으로, 세밀한 고체의 응력은 균일하게 분포되지 않고, 서로 놓여 있는 곡물의 네트워크인 소위 포스 체인을 따라 수행된다. 이 사슬들 사이에는 낮은 스트레스 지역들이 있는데, 그 지역들은 곡물들이 위의 곡물들의 효과를 위해 금고와 아치를 통해 보호된다.


과립 가스

알갱이 사이의 접촉이 빈번하지 않을 정도로 미세한 물질이 더 강하게 추진되면 물질은 기체 상태로 들어간다. 이에 따라 열역학적 온도와 유사한 곡물 속도 변동의 뿌리 평균 제곱과 같은 세분화된 온도를 정의할 수 있다. 기존의 가스와는 달리, 곡물들 사이의 충돌의 분산적인 성질 때문에, 세밀한 물질들은 군집하고 뭉치는 경향이 있을 것이다. 이 군집화는 몇 가지 흥미로운 결과를 가져온다. 예를 들어, 세분화된 재료로 된 부분 분할된 박스가 강하게 흔들리면, 시간이 지남에 따라 곡물들은 기존의 가스에서처럼 양쪽 분할 영역으로 고르게 퍼지기 보다는 분할 영역들 중 하나에 모이는 경향이 있다. 미세한 맥스웰의 악마로 알려진 이 효과는 그 과정에서 시스템에서 에너지가 끊임없이 손실되고 있기 때문에 어떤 열역학 원리에도 위배되지 않는다.


방해 전이

세밀한 시스템은 걸림 현상을 보이고 걸림 상태로의 열역학적 위상 전환으로 간주되는 방해 전이를 겪는 것으로 알려져 있다.[5] 잼밍의 루바체프스키-스틸링거 알고리즘은 시뮬레이션된 걸림돌 구성을 만들 수 있다.


패턴형성

흥분된 세분화된 물질은 풍부한 패턴 형성 시스템이다. 세분화된 재료에서 나타나는 패턴 형성 행동의 일부는 다음과 같다.

  • 진동 및 흐름 하의 비혼합 또는 분리. 그 예로는 이른바 브라질 너트 효과가 있다. 브라질 견과류가 흔들리면 혼합 견과류 한 봉지의 꼭대기까지 올라간다.이 효과의 원인은 흔들리면 미세한(및 다른) 재료가 원형 모양으로 움직인다. 어떤 큰 재료(브라질 너트)는 원 아래로 내려가다가 끼어서 꼭대기에 머무른다.
  • 진동된 세분화된 층에서 구조화된 표면 또는 벌크 패턴의 형성. 이러한 패턴은 줄무늬, 사각형 및 육각형을 포함하지만 이에 국한되지는 않는다. 이러한 패턴은 오실론이라고 알려진 표면의 근본적인 변동에 의해 형성되는 것으로 생각된다. 세분화된 물질에서 순서형 체적 구조의 형성은 Granular Crystalization이라고 알려져 있으며, 입자의 무작위 포장에서 육각형 클로즈패킹 또는 차체 중심 큐빅과 같은 순서형 패킹으로 이행하는 것을 포함한다. 이것은 좁은 크기 분포와 균일한 곡물 형태학을 가진 세분화된 물질에서 가장 흔하게 관찰된다.
  • 모래 잔물결, 모래언덕, 모래시트가 형성된다.

패턴 형성 행동의 일부는 컴퓨터 시뮬레이션에서 재현할 수 있었다.  이러한 시뮬레이션에는 두 가지 주요한 계산적 접근방식이 있는데, 즉, 타임스텝과 사건 주도 방식이며, 전자는 물질의 높은 밀도와 낮은 강도의 움직임에 가장 효율적이다. 그리고 후자는 물질의 낮은 밀도와 높은 강도의 움직임에 대한 것이다.


음향 효과

스퀵키 비치의 모래와 같은 몇몇 해변 모래는 걸어갈 때 삐걱거리는 소리를 낸다. 일부 사막의 모래언덕은 눈사태가 일어나는 동안 또는 표면이 흐트러질 때 붐을 일으키는 것으로 알려져 있다. 사일로에서 방출되는 미세한 물질은 사일로 경적(silo honking)이라고 알려진 프로세스에서 큰 음향 방출을 발생시킨다.


과립

과립이란 1차 분말 입자가 과립이라 불리는 더 큰 다품종 실체를 형성하기 위해 만들어지는 행위나 과정을 말한다.


세분화된 재료의 컴퓨터 모델링

세분화된 재료의 모델링에는 몇 가지 방법이 있다. 이러한 방법의 대부분은 점 데이터나 이미지에서 파생된 다양한 통계적 특성을 추출하여 세분화된 매체의 확률적 모델을 생성하는 데 사용하는 통계적 방법으로 구성된다. 그러한 방법에 대한 최근의 종합적인 검토는 타마세비 등(2017년)에서 이용할 수 있다. 최근에 제시된 세분화된 입자 팩을 구축하기 위한 또 다른 대안은 입자의 형태학에 대한 추출된 통계를 통해 입자의 실제 모양을 포착하고 재현할 수 있는 레벨셋 알고리즘에 기초한다.

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