Por que a areia das ampulhetas “trava” no meio da queda?

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Se você já observou a queda da areia de uma ampulheta, provavelmente percebeu que, algumas vezes, o fluxo é interrompido e a areia para de fluir antes que chegue ao fim. Isso acontece porque as partículas acabam emperrando e indo para um estado sólido, e os bloqueios podem ser evitados, mas é preciso compreender quando e como eles acontecem. 

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Com esses questionamentos em mente, dois físicos se empenharam em analisar o comportamento de materiais granulares cujos fluxos encontram “pontos de interferência”. Um artigo foi publicado no European Physical Journal E..

Entenda:

• Uma dupla de físicos da Universidade da Califórnia e da Case Western Reserve University, em Ohio, investigaram fluxos de materiais granulares para compreender, por exemplo, o que faz com que a queda da areia de uma ampulheta seja interrompida antes do fim;
• Os investigadores realizaram simulações com dados numéricos coletados por físicos que estudavam esferas de poliestireno sem fricção;
• Comparações mostraram que, ao se chocarem, as esferas se comprimem e recuam como molas, e mesmo o mais leve contato pode resultar em grandes forças;
• A dupla também criou um modelo que pode descrever as propriedades dos grãos próximos ao ponto de travamento – ou longe dele, quando estão inertes;

“A tendência do fluxo de matéria granular de ficar ‘preso’ e parar de fluir em baixas densidades é um problema prático que limita a taxa de fluxo no uso industrial de materiais granulares”, explicam Onuttom Narayan, da Universidade da Califórnia, e Harsh Mathur, da Case Western Reserve University em Ohio, no artigo publicado em março deste ano.

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Físicos realizaram simulações para estudar o fluxo de materiais granulares

A dupla realizou simulações com dados numéricos coletados previamente por pesquisadores que estudavam esferas de poliestireno sem fricção. Narayan e Mathur comparam suas simulações das esferas se aproximando do ponto de bloqueio com previsões da Teoria das Matrizes Aleatórias (RMT), desenvolvida na década de 1950 pelo físico húngaro Eugene Wigner.

As comparações mostraram uma distribuição específica de probabilidades estatísticas conhecida como conjunto Wishart-Laguerre, que, como contextualiza a dupla, “reproduz corretamente as propriedades estatísticas universais da matéria granular emperrada”.

À medida que as esferas se chocam, elas se comprimem e recuam como uma espécie de mola, sendo que mesmo o mais leve contato pode resultar em grandes forças. Os pesquisadores ainda desenvolveram um modelo capaz de descrever as propriedades dos grãos próximos ao ponto de travamento – ou longe dele, quando estão inertes.

“O fato de o mesmo modelo ser capaz de reproduzir as propriedades estáticas e vibracionais da matéria granular sugere que pode ser mais amplamente aplicável para fornecer uma compreensão unificada da física da matéria granular”, concluem Narayan e Mathur no artigo.