Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Fyzici na pískovišti aneb dobrá rada Popelce

 |  5. 12. 1997
 |  Vesmír 76, 696, 1997/12

Moderní člověk navyklý na rychlý pokrok vědy si obvykle neuvědomuje, že i ty nejobyčejnější látky, které nás obklopují, stále ještě skrývají četná tajemství. Naštěstí na to nezapomínají někteří vědci, a tak se můžeme občas dozvědět překvapivá zjištění třeba o vodě nebo o písku. Mělo by nás to vést k tomu, abychom měli oči otevřenější, všímali si i obyčejných věcí a přemýšleli o nich.

Z běžné zkušenosti víme, že při sypání písku, mouky nebo skleněných kuliček (granulovitých materiálů) na hromadu se vytváří kuželovitý útvar. Sklon jeho povrchu nezávisí ani tak na velikosti zrn materiálu jako na jejich tvaru a povrchu (které určují tření mezi jednotlivými zrny). Členitá zrna, například ve tvaru krychliček, vytvoří ostřejší kužel než zrna kulatá. Vrcholový úhel kužele však není stálý, nýbrž osciluje mezi dvěma extrémy, nazývanými maximální stabilní úhel a úhel uklidnění. Při dosažení prvního vznikne lavina, která sníží sklon na úroveň dolního extrému. S přílivem nového materiálu zase sklon roste, až vznikne další lavina, a tak stále dokola. Můžete se o tom přesvědčit, třeba mezi dětmi na nejbližším pískovišti.

Jak se však bude při sypání chovat směs dvou odlišných granulovitých materiálů, zůstane směs homogenní? Na tuto otázku hledala odpověd skupina amerických, britských a izraelských vědců (Nature 386, 379–382, 1997). Při svých experimentech sypali přes úzkou štěrbinu směs dvou různých granulovitých materiálů (skleněné kuličky, červené cukrové krystalky přibližně tvaru krychle) nebo různé písky a sledovali podobu vzniklé hromady. Ve svém sdělení pro časopis Nature konstatovali existenci dvou jevů: samovolné stratifikace (vytváření jasně oddělených střídajících se vrstev jednoho a druhého materiálu) a samovolné segregace (rozdělování zrn podle velikosti, menší blíže vrcholu, větší u paty kužele). Segregace je přítomna vždy, když existuje jistý rozptyl velikostí zrn (to je ve většině případů), zatímco vrstvy se tvoří pouze tehdy, když hrubší materiál má zrna krychlovitého tvaru a jemnější materiál zrna kulovitá. Experimenty jistě nebyly složité a finančně náročné, o to složitější bylo hledání vyhovujícího teoretického modelu. Bylo třeba uvážit, že pohyb jednotlivých zrn nezávisí pouze na celkovém sklonu, ale i na uspořádání a tvaru všech sousedních zrn. Nakonec se ukázalo, že při pohybu každé jednotlivé laviny mají zrna obou druhů odlišnou dynamiku. Jemnější kulatá zrna se zastaví dříve a tvoří spodní vrstvu, větší se pohybují déle. Tak se postupně vytvoří střídající se vrstvy. K vytvoření obecného modelu pohybu různých granulovitých materiálů nedávno významně přispěl také známý francouzský fyzik, nositel Nobelovy ceny za fyziku 1991, Pierre-Gilles de Gennes.

V závěru článku autoři konstatují, že pozorovali uvedené děje i pro případ směsí tří materiálů s různou velikostí zrna a nyní studují případy, kdy se mění velikost zrn spojitě, což už bude velmi blízko reálným situacím. Předpokládá se, že uvedené experimenty umožní geologům vysvětlit některé záhady kolem skalních sesuvů a také upozorní průmyslové technology na možnost, že dobře promíchaná směs různě zrnitých materiálů nemusí po jistém transportu a manipulaci zůstat stejně homogenní. Zásadní význam to může mít v přesné farmaceutické výrobě i jinde.

Jak upozorňuje Jay Fineberg v komentáři k článku v Nature: Se znalostí těchto vlastností zrnitých materiálů by mohla Popelka vymyslet pro oddělení máku od popela nebo čočky od hrachu účinnější separační metodu, než bylo zaměstnání hejna holubů.

Citát

Werner Heisenberg: Část a celek, Votobia, Olomouc 1997, s. 131

V přírodovědě je vždy dobrou politikou být tak konzervativní, jak je to jen možné a jen pod tlakem nutnosti jinak nevysvětlitelných pozorování přistoupit k rozšíření.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Fyzika

O autorovi

Jan Valenta

Doc. RNDr. Jan Valenta, PhD., (*1965) vystudoval Matematicko-fyzikálni fakultu UK v Praze, kde se nyní zabývá optickými vlastnostmi nanostruktur, spektroskopií jednotlivých molekul a polovodičových nanokrystalů a mj. také vývojem tandemových solárních článků. Je spoluautorem (s prof. Ivanem Pelantem) monografie Luminiscenční spektroskopie.

Doporučujeme

Jak si delfíni ucpávají uši

Jak si delfíni ucpávají uši audio

Jaroslav Petr  |  17. 12. 2017
Hluk v mořích a oceánech produkovaný člověkem ohrožuje kytovce. Může je dočasně ohlušit nebo jim trvale poškodit sluch. Nově objevený fenomén by...
Tajemná sůva šumavská

Tajemná sůva šumavská

Jan Andreska  |  17. 12. 2017
Byl vyhuben a vrátil se. Na Šumavu lidskou snahou a do Beskyd vlastním přičiněním. Puštík bělavý teď žije opět s námi, ale ohrožení trvá.
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné