Физика сыпучести. Сыпучие тела

Психология и физиология восприятия информации

Как известно, сыпучие тела по своим физическим свойствам занимают промежуточное положение между твердыми телами и жидкостями. Сыпучее тело - своего рода "колония" из однородных твердых частиц. Колония эта при некоторых условиях принимает форму откоса, пирамиды или конуса, определяемую углом внутреннего трения материала. Величина этого угла (его еще называют углом естественного откоса) для некоторых сыпучих тел приведена в таблице.

Зыбкость и неустойчивость сыпучей среды никого не удивляет. Возьмите, например, песок. Он "растекается", протекает сквозь пальцы, сползает с наклонной плоскости, сдвигает подпорные стенки, передвигается под действием ветра (дюны), может развеяться и исчезнуть, как мираж. В сыпучем материале можно даже утонуть.

Однако при некоторых условиях зыбкое сыпучее тело может быть весьма устойчивым. Это свойство подвижной сыпучей среды удивляет.

Чтобы убедиться в этом, выполните несколько элементарных опытов, легко воспроизводимых в домашних условиях. Для них понадобятся: картон, клей, ножницы и сыпучее тело - лучше всего взять речной или морской песок, но он должен быть обязательно сухим. Можно также взять соль, сахарный песок или пшено - то, что найдется на кухне.

Насыпем на стол из взятого сыпучего материала гряду высотой 5-8 см. Склеим под углом 180^o-2a две картонные плоскости, где а - угол естественного откоса данного сыпучего материала. Чтобы выбранный угол не изменился, соединим картонные плоскости по торцам диафрагмами (рис. 1).
Сыпучесть

Угол внутреннего трения (естественного откоса) некоторых сыпучих материалов, градусы

Песок сахарный	50
Мука пшеничная	30-45
Рис	40
Соль	30-50
Гречиха	35
Крупа манная	30-35
Горох	25-28
Просо	22-25
Песок сухой	30-35
Щебень	40-45

Попробуйте рукой с помощью склеенной фигуры имитировать вертикальную равномерно распределенную нагрузку на насыпанную гряду. Попытайтесь таким образом разрушить "зыбкое", сыпучее тело. Вам это не удастся. Только надо следить, чтобы давление на сыпучее тело было строго вертикальным и чтобы картонный "пресс" был соразмерен с грядой насыпанного материала (как на рис. 1).

В данном случае насыпанную гряду можно образно сравнить с оптической призмой, которая как бы преломляет внутрь вертикальные силовые линии нагрузки, не выпускает их наружу. Работает внутренний "замок", удержизающий форму сыпучего тела. С увеличением нагрузки действие природного замка усиливается. Аналогию между силовыми линиями и световыми лучами использовал в тридцатых годах профессор Г. И. Покровский для вывода формул, относящихся к распределению динамических давлений в грунте.

Предельная нагрузка в этих опытах определяется, вероятно, прочностью элементов внутренней структуры материала.

Попробуем продемонстрировать это свойство сыпучего тела и таким образом еще раз подтвердить его. Для этого склеим из картона коробку размерами 100 X 100X150 мм, одну из боковых стенок выполним из трубок, например, диаметром 20 и длиной 25 мм (см. рис. 2). Трубки можно сделать из бумаги, картона или распилить для этой цели на части поливи-нилхлоридную трубку, применяемую для прокладки электропроводов. Чтобы стенка не разваливалась, трубки можно склеить друг с другом и стенками коробки. Теперь наполним коробку каким-либо сыпучим материалом (см. рис. 3). И мы легко убедимся, что он через дырчатую стенку не высыпается. Трубки можно заменить любы ми ячейками, при этом необходимо лишь выдержать отношение высоты ячеек к глубине как 1 : 1,5, что примерно соответствует тангенсу угла естественного откоса большинства сыпучих материалов,

Максимально развивая предыдущий опыт, выполним, например, в масштабе 1:100 макет силосной башни для хранения зерна. Примем ее диаметр 7 м, высоту 18 м. Для макета понадобятся кольца из картона с внутренним диаметром 70 мм и 4 опоры, каждая высотой 200 мм (тоже из картона) с консолями для поддержания колец. И хотя в такой силосной башне отсутствуют вертикальные ограждающие конструкции (см. рис. 4), материалы не высыпаются даже при приложении значительной вертикальной нагрузки.

Насыпанный конус или откос растекаются под действием вибрации, поэтому в описанных опытах для предотвращения вытекания материала из емкостей от сотрясений следует горизонтальные площадки сделать несколько уширенными.

Опыты можно разнообразить. Эффектна, например, вертикальная емкость с одним отверстием в нижней зоне. Отверстие должно иметь глубину и высоту с отношением, соответствующим тангенсу угла естественного откоса сыпучего тела. Вертикальной нагрузкой выдавить сыпучий материал через отверстие просто невозможно.

Заметим, что конструкция стен, сооружаемых сегодня вертикальных емкостей для хранения сыпучих материалов (зерна, цемента и т. д.), предназначена для восприятия горизонтальных усилий распора, которые возникают в ограниченном вертикальными стенами сыпучем материале. Особенно значительны эти усилия в нижней зоне силосных емкостей.

Конструкции наших моделей (рис. 2 и 4) спроектированы так, что в процессе заполнения емкости сыпучий материал образует ряд вертикально расположенных откосов или конусов с углом естественного откоса. Условные границы откосов определяются шагом пластин ограждения. Используется удивительная устойчивость природной формы. При этом практически вся вертикальная нагрузка передается на основание, лишь незначительная ее часть "зависает" на горизонтальных площадках. Отклонив сегмент одного из колец емкости, изображенной на рис. 4, можно легко разгрузить нужный объем сыпучего материала.

Сделаем некоторые выводы. Из приведенных опытов следует, что сыпучие тела при определенных условиях способны аналогично твердому телу воспринимать значительную вертикальную, равномерно распределенную нагрузку. Она должна Действовать таким образом, чтобы не нарушалась естественная форма сыпучего тела, определяемая углом внутренныо треп,,. , и, очевидно, должна быть симметричной относительно вершины насыпанного конуса.

Итак, сыпучее тело может быть подвижным и текучим, то есть похожим на Жидкость, а в некоторых случаях - устойчивым и прочным - уподобляться твердому телу.

Такие полярные свойства материала, существующие при нормальных условиях, позможно, характерны только для сыпучих тел. Вероятно, в этом их своеобразие.

Где и как использует природа удивительную двойственность, двуликость сыпучей среды?

Силы природы постоянно создают гигантские сыпучие тела Земли: вулканы, горы, овраги, откосы берегов морей и рек. Силы тяжести при определенных условиях охраняют их устойчивость. Но параллельно под действием ветра, воды, землетрясений сыпучие тела "растекаются". При небольших наклонах оснований насыпанные конуса разрушаются под действием тех же сил тяжести. Идет постоянный и неизбежный, заложенный в свойствах сыпучих тел процесс разрушения их формы и нового её созидания. Действует природный механизм сыпучести, работает природа, формирующая и охраняющая рельеф нашей планеты. Может быть, без этого механизма, без одновременно устойчивой и легко разрушающейся насыпанной горки, способной зозродиться, Земля давно стала бы гладким шаром.

Можно ли в практической деятельности использовать динамику, заложенную в удивительной природной конструкции сыпучего тела.

Некоторые области применения свойств сыпучего материала ясны из описанных опытов. Это облегченные ограждающие конструкции и разделительные стенки хранилищ различных сыпучих материалов с возможностью боковой разгрузки, устройства для борьбы с подвижностью песков. Возможны новые решения снегозадерживающих стенок.

Уже предложена, например, конструкция сквозных подпорных стенок, использующая свойство сыпучих тел сохранять форму естественного откоса (авторское свидетельство № 983199). Возможности применения описанных выше свойств сыпучих материалов достаточно широки, но для их реализации требуются как теоретические исследования, так и практические эксперименты на стендах с моделями значительно больших размеров.

Необходимо добавить, что, например, выполнив ограждающие конструкции складов сыпучих Материалов из горизонтальных элементов (аналогично сооружению, изображенному на рис. 4), можно добиться значительного снижения материалоемкости складов и упрощения строительно-монтажных работ. По сравнению с существующими конструкциями в некоторых случаях расход материалов на стены снижается в 2 раза. Цифра эта зависит, конечно, от объема хранилища, свойств сыпучего материала, условий и технологии хранения.

Теория сыпучей среды развивается более 200 лет, но не свободна, как пишет крупный специалист в этой области профессор Г. К. Клейн в своей книге "Строительная механика сыпучих тел", от многих белых пятен и противоречий.

Возможно, данная статья привлечет внимание к этой интересной проблеме и послужит толчком к разработке конструкций, технологических процессов, учитывающих удивительные свойства сыпучей среды.

Научные проекты

Умы России - ассоциация ДАИЛ

Преподаватель Сухинина Е.Ф.

Главное меню

Зрительное восприятие

Слух, обоняние, вкус

О жажде

Что такое жажда

Головной мозг

Дополнительно