Потрясены основы "физики орехов в мешке"

Эксперимент, поставленный под руководством Инго Реберга (Ingo Rehberg), заключался в том, что экспериментаторы встряхивали стеклянный цилиндр, наполненный стеклянными, деревянными и металлическими бусинками. При этом менялось количество бусинок в цилиндре и сила встряски. Обнаружилось, что относительно большие бусинки при этом либо поднимаются наверх, либо "тонут".

Распределение бусинок по высоте в зависимости от их размера при встряске уже давно получило название "эффекта бразильских орехов". Заключается он в том, что в коробке с орехами самые большие всегда оказываются наверху. Пока коробка с мюсли путешествует из магазина на стол, орехи "всплывают", оставляя внизу овес и отруби. Этот же эффект наблюдается и в самых различных промышленных процессах, в которых принимают участие песок, цемент, гравий, продукты питания, лекарство в порошках, красители, и многое другое.

Несмотря на то, что открыт эффект бразильских орехов давно, научно объяснить его оказалось непростым делом. Высказывались различные гипотезы: образование "сита" из больших зерен, в которое "просеивались" меньшие; наличие трения между стенками сосуда и зернами; и многие другие.

Но в 1998 году основы физики орехов в мешке были потрясены до основания. Выяснилось, что иногда большие зерна, вместо того, чтобы подниматься вверх, неожиданно уходят на самое дно сосуда. Три года спустя интернациональная исследовательская группа, в состав которой входили физики из США и Германии, установила, что "обратный эффект бразильских орехов" зависит от размера и веса зерен. Ученые высказали предположение, что проявление действия эффекта зависит от соотношения и плотности больших и малых зерен.

Группа Реберга, проверявшая правильность новой теории, установила, что в восьми из десяти случаях она правильно предсказывала, в каких случаях действие прямого эффекта сменяется действием обратного. Однако обнаружились и другие факторы, влияющие на результат: например, в одной и той же смеси возможно проявление то одного, то другого эффекта в зависимости от величины частоты и амплитуды встряхиваний сосуда.

Также для проявления обратного эффекта необходимо, чтобы слой маленьких зерен, поверх которого располагаются зерна относительно большего размера, не должен быть слишком большим. Иными словами, в слишком уж высокой упаковке бразильских орехов никогда не удастся "утопить" самые большие из них, сколько пакет ни тряси.

Программная работа немецких ученых опубликована в журнале Physical Review Letters.

Источник: по материалам журнала Nature.