La Liquidez de los Materiales Granulares

física de materiales Dec 21, 2017

Es fácil caminar por la arena de una playa. Pero pisar una piscina de bolas es enseguida más difícil. Tanto la arena como las piscinas de bolas son materiales granulares. Este tipo de materiales están formados por conjuntos de pequeñas partículas o granos. Su particularidad es que pueden comportarse como sólidos o líquidos en función de su densidad y otros parámetros físicos.

La física de los materiales granulares es compleja y en las últimas décadas se han propuesto muchos modelos. Sin embargo, la industria utiliza mucho estas propiedades físicas para procesar materiales utilizando, por ejemplo, "lechos fluidizados". Estos lechos particulares están formados por una mezcla de fluido y sólido y presentan propiedades similares a las de los fluidos. Se considera una mezcla heterogénea de fluido y sólido que puede representarse mediante una única densidad aparente.

Ilustración de las diferentes fases de un material granular bajo una inyección de velocidad de gas creciente.

El fenómeno resultante se denomina fluidización. Los lechos fluidizados también se utilizan para el secado eficaz de materiales a granel. La tecnología de lecho fluidizado en los secadores aumenta la eficiencia al permitir que toda la superficie del objeto esté suspendida y, por tanto, expuesta al aire. Este fenómeno puede ser bastante sorprendente cuando se experimenta.

En un trabajo reciente, investigadores de la Universidad de Brandeis estudiaron una amplia clase de materiales desordenados, entre ellos los materiales granulares. Estos materiales son interesantes porque pueden formar estados atascados. Un sistema atascado puede resistir pequeñas tensiones sin deformarse de forma irreversible, mientras que los sistemas no atascados fluyen bajo cualquier tensión aplicada.

El equipo demostró que el atasco de granos friccionales con forma de disco puede ser inducido por la aplicación de una tensión de cizallamiento a densidades inferiores al valor crítico. Estos estados de atasco tienen una fenomenología mucho más rica que los estados de atasco isotrópicos. Se necesita una tensión de cizallamiento mínima para crear estados atascados de cizallamiento robustos con una fuerte red de fuerzas que se filtra en todas las direcciones. La tensión de cizallamiento es algo así como ahuecar arena entre las manos y luego, sin cambiar la anchura entre ellas, mover una mano hacia delante y la otra hacia atrás. No fluye mucha arena entre las manos con una fuerza así.

"No es sólo el número de partículas lo que las pone en aprietos, sino también la tensión y las fuerzas del mundo real, como la fricción, lo que provoca el retroceso. [...] El descubrimiento podría cambiar el diseño de los silos de carbón y grano e incluso de los dispensadores a granel de Whole Foods". -R. P. Behringer, Universidad de Duke, Carolina del Norte

La fricción y el cizallamiento revelan la riqueza de los posibles estados de la materia granular y ofrecen una buena perspectiva para posibles nuevos descubrimientos. El estudio de estos nuevos estados de la materia granular también puede poner al descubierto conexiones más profundas entre el atasco y fenómenos aparentemente no relacionados, desde los terremotos hasta las transformaciones que se producen en otros tipos de materia, como el agua o el hielo.

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