• 汇集公众科学智慧交流科学思想见解
  • 点燃科学智慧火花构建互动交流平台
科学智慧火花
科学前沿学术沙龙
查看评论  0                

颗粒流体行为的微重力实验研究

主办单位: 中国科学院老科协
承办单位:中国科学院老科学技术工作者协会物理所分会
举办时间:2019-07-09       【字号: 访问量:

目录

简介
主持人致辞
主旨报告
讨论与交流
主要专家简介:
  1.                吕惠宾(主持人), 中科院老科协物理所分会理事长,中科院物理所研究员、博士生导师。
  2.                厚美瑛(主旨报告人),中科院物理所研究员、博士生导师、国科大教授。国际颗粒材料微观力学专业委员会(AEMMG)委员,中国空间科学学会微重力科学与应用研究专业委员会委员,中国科学院微重力重点实验室学术委员会委员。近年来主要研究方向为不同重力标度下颗粒物质的运动特征及动力学机理研究。
  3. (以下按姓氏笔画排列)
  4.                王育人,中科院力学所研究员、博士生导师、微重力国家重点实验室主任。
  5.                王鹏业,中科院物理所研究员、博士生导师、国科大教授。
  6.                冯宝华,中科院物理所研究员、博士生导师(退休),中国物理学会光物理专业委员会副主任。
  7.                吕慧宾,中科院老科协物理所分会理事长,中科院物理所研究员、博士生导师(退休)。
  8.                孙志斌,中科院国家空间科学中心,研究员。
  9.                吴令安,中科院物理所研究员、博士生导师(退休)。
  10.                张  祺,太原理工大学机械与运载工程学院讲师。
  11.                陈延佩,中科院过程工程所多相复杂系统国家重点实验室副研究员。
  12.                陈  科,中科院物理所软物质实验室研究员、博士生导师。
  13.                郑伟谋,中科院理论物理所研究员、博士生导师。
  14.                桂文庄,中科院老科协副理事长,中科院原高技术局局长、研究员。
  15.                郭沁林,中科院物理所研究员,博士生导师(退休)。
  16.                崔树范,中科院物理所研究员,博士生导师(退休)。
  17.                程晓辉,清华大学土力系副教授。
展开

【简介】

 

重力是宇宙运行的四大基本力之一。在人类即将进入深空领域,离开地球到外太空其他星球活动之时,重力场的变化首当其冲。在人类迄今深空探测活动可及的空间,运动的颗粒物质无所不在,比如介于火星和木星轨道之间的环状小行星集群,火星表面活跃地质活动的沙尘,由星体、尘埃、气体和等离子体等颗粒物质汇集形成的“星云”等等。对于空间颗粒物质的相互作用和运动行为的认知将是人类迈出地球必需要的基础知识。报告将介绍重力对颗粒物质力学行为的影响,微重力实验研究的平台,以及我们过去十多年在微重力颗粒物质运动行为方面的研究,包括颗粒流体在地球重力以及微重力环境下的阻力形式,实践十号返回式卫星上的颗粒气体团簇、分仓聚集(麦克斯韦妖现象)和微重力环境所谓“巴西果效应”颗粒偏析现象的实验研究。

[返回]

 

【主持人致辞】

 

吕惠宾:各位领导,各位同事,早上好!欢迎大家来参加物理所分会举办的学术沙龙。今天沙龙的主题是“颗粒物质研究与微重力实验”,参加沙龙活动的有我们物理所老科协成员以及目前在科研前线奋斗的业务骨干。现在开始报告,首先请厚美瑛研究员作报告。

[返回]

 

【主旨报告】

 

厚美瑛:颗粒流体行为的微重力实验

今天主要介绍我们从2005年开始参与的颗粒流体行为空间微重力实验研究。

一、颗粒物质体系的流体性质

颗粒物质本身虽然是固体,但是它的运动行为跟流体非常相似,所以我们称它为“颗粒流体”。我今天将介绍颗粒作为流体的一些特性的例子。同时也介绍重力对颗粒物质行为的影响。

颗粒物质,不管是在我们的日常生活也好,在这个地球或是在太空也好,都是随处可见的。所谓颗粒体系或者颗粒物质,其实是指大量的颗粒单元形成的集合体。颗粒物质是在地球上除了水以外存在最多的,而在太空,颗粒物质更是存在最多的一种物质形态,并且在星球表面有非常丰富的地质运动行为,我们十分关注颗粒物质在空间变重力环境中的运动机制。

图1  颗粒物质无所不在

颗粒体系是一种复杂体系,仍有待于我们研究,目前还处于累积实验数据、实验观察的阶段,它的理论分析、模型建立,还处于由各家各派在摸索,建立至简大道的过程中。

我们将颗粒体系所形成的集合体,按照它的数密度和它的动能,也就是运动速度,来区分,可以将之类比成颗粒气体,颗粒流体,和颗粒固体。

图2 颗粒物质的气、液、固三态

比较稀松的,运动速度比较快的颗粒体系,我们把它类比成气体,它的运动可以用修正的气态方程来进行描述。这样的体系跟气体最大的不一样,是颗粒间的非弹性碰撞,每碰撞一次,速度都会降低一些,是一种能量损耗体系。

那么重力对它的作用是怎样呢?重力会使得颗粒沉降,这是为什么我们在地面上看到所有的宏观粒子在没有外力作用时是静止的,处于一种亚稳态。所谓的颗粒流体,像山体滑坡,斜坡流等,这类体系由于颗粒间的摩擦相互作用,摩擦是一种耗散机制,使得它跟流体不一样。流体分子的运动有一个平均速度,而所谓的颗粒流体,在面上的颗粒运动较快,越往底层,由于摩擦相互作用,运动速度越慢。

颗粒固体与连续介质弹性固体是不一样的,颗粒固体颗粒只有接触的时候有相互作用力,没有接触的时候,相互之间作用力为零,它的力网络形成复杂的非线性力链结构。

在没有重力的情况下是怎样的呢?沉降现象消失,颗粒之间的摩擦没了,因为我们知道有正压力才有摩擦力。因此颗粒会悬浮,所谓的静水压会消失,重力会使得颗粒体系表现出来不一样的行为。

二、颗粒流体的阻力实验研究

我们已经说了,颗粒物质,它既非理想固体又非理想液体,它是固体也是液体,它最大的作用力,是耗散、相互排斥作用。

这样子的颗粒体系,可以像固体一样维持它的形状,可是给它一定的压力,它会屈服。屈服了以后,会像流体一样流动起来。显然它不是牛顿流体,牛顿流体是不可压缩流体,而且牛顿流体的剪切和应变率是呈线性相关的。那么在颗粒体系里头,它有一个屈服应力,也就是它会像固体一样保持形状,直到加压大到不能承受的时候会像流体流动,所以它能不能用类宾汉流体来描述呢?宾汉流体存在屈服应力,在屈服应力之后宾汉流体的剪切应力跟所加的速率成正比。

图3 颗粒流体的阻力形式

我们在2005年对竖直撞击颗粒流体的撞击物所受阻力的研究显示(图3),阻力主要可以分成四项,一个是跟速度成正比的粘滞阻尼项,另一个是跟深度成正比的静水压项,第三个是重力项,最后是摩擦项,我们主要就是求解这样的一个二阶方程。实验的观察显示三维和二维体系有不同的阻力形式不同。我们把一个物体丢到三维颗粒体系和二维颗粒体系里,物体受到的阻力,慢慢的从某一个速度减速到零,看起来是一样的。可是当你把它微分,看它速度变化的时候,三维冲击实验的速度变化,它是一个凸型的曲线,而二维是凹型曲线。拟合的时候,我们发现三维的实验,只考虑静水压下,把这粘滞项去掉后,可以得到很好的拟合。而二维实验,则需把静水压去掉,拟合得出来的是指数形式。可以看到颗粒流体的复杂性。

如果说,我想把重力的影响去掉看阻力的变化。地面实验可以做水平拖动实验,是准二维的,它发现这个阻力就跟实验的这个拖动速度几乎是无关的,呈弱对数关系。类似的三维体系实验,还是做类似的拖动实验就可以看到这个拖曳阻力,跟速度就完全无关,所以刚才我们是垂直拖动跟水平拖动,几乎都是与速度无关的。

我们一般会认为任何一个物体在沙子里头运动,阻力都是非常大的,在阻力这么大的体系里头,居然有一些生物,比如说这个叫Sandfish的鱼可以在沙子里游泳。2011年有科学家研究这种动物在颗粒里头运动的形式,它们的水平前进的运动速度可以产生向上的推力,就跟飞机快速前进时可以产生机翼上升力的原理是一样的。以上都说明这个沙子确实是个流体,它的阻力形式是非常复杂的。

颗粒流体的阻力研究,还将涉及我们在灾害现场,或者是在不同的星球、不同的重力场中在沙子上前进的机器人或着陆器的设计方面,所以我们研究它是非常重要的。

三、微重力下的颗粒流体实验研究

我们现在来看重力的影响,在1g重力影响下,利用土力学里头典型的实验数据,在沙床十公分深度下,颗粒受到的应力大约在KPa(千帕)量级,在三维体系里,阻力跟速度是无关的。如果我们能减小重力,是否能减低这KPa量级的围压影响呢?一种实验做法是样品加水,加大水压,可以将颗粒围压降低到KPa量级以下,发现拖曳力这个时候是一个率相关的量。这个是三轴实验,加压看应力应变率的关系,可以得到孔隙水压很大时,拖曳力明显表现出粘滞性。

另一个降低围压的实验,模拟在微重力下做颗粒三轴剪切实验,发现它所得到的摩擦角,与地面1g重力条件下的结果相比,要高很多,也就是说它实际上是率相关,注意横轴是轴向应变率,它不但是率相关,而且是非线性的率相关。利用非线性的μ(I)流变模型来做拟和,发现模型还是可以比较好的去匹配实验结果。

可是呢,虽然上面μ(I)流变模型有较好的拟合结果,但是缺实验数据的支撑,尤其是在地震相关的剪切速率附近。所以从去年开始,我们就开始做实验,用落塔提供的微重力条件来看拖拽速度和拖曳力的关系。我们看到在实验室1g重力条件下所测的拖拽力跟拖拽速率是无关的,但是在落塔里测得的拖拽力和拖曳速度则是相关的,而且发现这个力是跟深度有关的。我们希望能增加数据,实验今年还在继续做,希望有更多的实验结果能够跟模型的曲线进行定量的对比。

图4 历年来进行的微重力实验

我们的微重力实验从2005年中国的返回式卫星实践8号开始,然后这个是2005年一直到2011年,我们在法国航天局跟欧空局支持下做的失重飞机实验,参与这个实验的孙志斌是最早的一个参与失重飞机实验的中国人。在法国航天局的支持下,我的博士生陈延佩在法国待了三年,也做了相关的失重飞机实验,这里有研究工作相关的介绍。2015年,我们为实践十号实验做了落塔的准备实验。

在实践八号的实验,我们的装置采取振动驱动的方式。这个装置孙志斌应该很熟,你们还在物理所的时候做的这个装置,这个装置里头有十四个样品仓,这是其中两个仓的颗粒运动的结果,得到的数据速度呈e指数分布。

陈延佩在抛物线飞机的工作,在我们可控的实验体系中速度分布率结果。实验里非常相关的两个量,一个是你的驱动方式,还一个是边界条件,它们都会影响到颗粒的速度分布率。这里可以看到双峰结构,在边壁的时候很明显,中间的时候没有。就是因为边壁的时候,颗粒与边壁的碰撞得到速度,所以它有一个速度峰。

图5 微重力实验的结果:速度分布和团簇形成

四、颗粒的麦克斯韦妖现象

刚才说了,在一定条件下颗粒气体会形成团簇,这个团簇现象如果说是发生在两个相连的仓里,它因为非弹性碰撞,颗粒会自发的聚集在某一个仓内。这个现象,我们叫做麦克斯韦妖现象:麦克斯韦假想两仓中间有个妖精,它在高速颗粒通过的时候,把仓门打开,低速颗粒则关掉,这样就能使得在没有能耗的情况下,最终会使得高速颗粒和低速颗粒分仓聚集;也就是说本来在环境温度相同的时候A仓和B仓的温度相等,可是在这个情况地下,两仓温度会不等。当然真实的热平衡系统不会出现这种情况。

图6 颗粒的麦克斯韦妖现象(自发分仓聚集)

那么在这样的颗粒体系里头,我们能非常形象的看到这个现象。这并不违背热力学第二定律,因为颗粒是开放系统。在这个麦克斯韦妖现象里头,这里的妖精就是颗粒的非弹性碰撞,这个特性,扮演了这个妖精的角色。

当我们把这个颗粒系统变成二元颗粒体系的时候,就不只会看到分仓现象,还会看到自发来回振荡,会有一个振荡现象。

可以看到在这么一个简单的体系里头,我们只需要去数两个仓里的颗粒数目的变化,就可以很形象地看到这个非线性动力学现象的各种不同的分叉现象。在这样一个体系里头,要么改变振动速度,要么改变仓内A颗粒和B颗粒数目的比值,我们就可以很好的控制和观察不同的非线行动力学行为,这样的体系可以是一种相当理想的非线性教学模型实验。

同时呢,当我们加一些特殊设计,我们可以使得原来这个自发的,随机的分仓现象,变成有方向性,让颗粒移动到某一个特定的仓里。如果这个现象是可行的话,我们就可以利用这个特性,将颗粒聚到某一个特定的仓里,再把颗粒收集起来。比如说如图我们可以在空间实验中将颗粒最终收集到第十个仓里。在微重力下,这个振动分仓聚集现象我们首次在实践十号卫星实验仓中成功地观察到。

五、颗粒流体的巴西果效应

这个是另外的一个现象,巴西果效应。颗粒不会像流体一样振动能均匀混合,它是越振越分离。我这是我们实验找到的相图,可以看到给它不同的振动频率,因颗粒大小、重量或密度的不同,颗粒分层的现象。

图7 颗粒流体的巴西果效应

有一个非常有意思的现象,这是我们2003年的工作,我们在这个振动颗粒里头放一个大颗粒在颗粒床中间,如果是重的颗粒它会往上走,轻的话会往下走,而且越重往上走的越快,这些违反常理的现象是跟这里边颗粒特性有关。这样子的研究,在不同的重力底下,对最近的小行星研究中引起大家的兴趣。因为小行星富有太阳系早期的一些信息,所以科学家希望能够在小行星上头着陆取样。可是他们在取样的时候发现小行星表面有很多大的烁石,比预期的要粗糙,着陆点只有不到五到十个平方米,比预计的要困难得多。研究其原因,他们发现可以归结为巴西果效应:这样子的小行星比较轻、比较小,受到很小的外界影响,就会起到非常大的振动,使得它表面的沙粒,重的沙粒,分布到表面上头来。

六、下一步的实验工作

那么我们刚才讲了那么多复杂流体的现象,我们的研究发现重力都起到非常重要的影响。欧空局现在也在设计在ISS(国际空间站)上的实验。设计的第一个特点是振动驱动,第二个特点是多功能的样品仓,不同的实验用不同的仓,这里可以看到不同的实验仓的设计。

我们的中欧合作项目,除了包括振动驱动颗粒气体实验以外,我们还提出来两个实验,一个是剪切晶化实验,还一个是圆杆拖动实验。

我们自己有空间站上的变重力实验,我们在零重力的基础上,将我们的装置放到一个小的离心机上,改变环境重力,重力会由0.001g到1-2g,通过改变装置的参数,我们做一系列的这些实验。

我用一个美国科学家说的话作结语:人类想要摆脱地球的资源限制,建立太阳系文明的话,必须要有火箭推进剂,进行空间采矿和工业,这些都需要先进的技术来着陆、驾驶、挖掘、运输、化学处理以及在星球的风化层上建构结构。 所有这些技术的成熟都将建立在低重力颗粒流体行为的物理研究上。

我的报告就到这里。

[返回]

 

 

【讨论与交流】

 

郭沁林:我提一个问题,我是搞催化、搞表面研究,我有一个地方没听明白,颗粒的气体行为,比如说我们当中大气的分子啊,氮气、氧气这些气体,杂散在空气中流动,是吧,颗粒的流动,没有外力流动不起来吧?

厚美瑛:对,所以在实验室里我们必须要先去驱动它。

郭沁林:颗粒不是气体的,它是固态的。为什么叫做颗粒气体?

厚美瑛:我们这里所谓的颗粒气体,是把气体分子宏观化,我们把它当作气体分子,类比于真实气体的分子稀疏的状态。当然颗粒跟气体有相互作用,可是在目前的时候,不是我们讨论的重点。

郭沁林:其实颗粒还是颗粒。

厚美瑛:对,是说它很稀,把重力去掉又可以悬浮,我们的研究就是试图看这样的体系能不能用类似气态方程来描述颗粒的运动。

郭沁林:颗粒,定义多大为颗粒?

厚美瑛:这个很重要,就是说,我们考虑的是把热能对它的作用能够忽略掉这样子的尺寸去定义颗粒。大概是一个微米以上,在这之下就是胶体体系要考虑的问题了。胶体的话,你就要考虑热能,我们是不考虑热能的,我们只考虑颗粒的机械能,一般尺寸在微米量级以上。

王育人:厚老师,我接着请教一个问题,在什么样的条件下颗粒流体,经典的纳维-斯托克流体力学去描述?什么样的条件之外,就不能用这个方式去描述?是尺寸还是什么?

厚美瑛:在我们这里不是尺寸,主要是它的速度跟相互作用,它的相互作用,它的粘滞项,它能够用纳维斯托克这些参数,能够表述它的宏观运动的时候,我们称之为所谓的颗粒流体。

王育人:这个问题我想了好久,问了好多搞流体的大家,他们也没有说清楚。

厚美瑛:实际上我们现在在颗粒流体上,大家关心的都比较是针对某一个现象,比如说我现在看到Jamming或者是什么,就是根据这个,我去解释一个现象。

可是你说的那个东西的话,我以前碰到理论所一位教授,他很感兴趣跟我们合作,可是他要写Fokker-Planck方程,或用郎之万方程来描述颗粒体系的时候,他发现太复杂了。目前处于做实验累积数据和观察现象的阶段。

王育人:复杂,说不清楚,说明它有些机制还无法理解。

厚美瑛:没错。我认为大道至简,现在理论非常复杂,说明我们还没理解这个体系。

桂文庄:我问一个问题,一想到颗粒体系,会想到沙漠,泥石流现象,泥石流现象现在非常重要,泥石流现在也预报不准,问题挺多的,当然它比你这个单一体,都是颗粒的,复杂得多,它有水,是两相的。 我不知道你们研究中,对泥石流这个现象有没有考虑?

厚美瑛:从物理的角度来说,我们把它简单化,可是工程角度的话,程老师是做这方面的专家,他们有非常多的模型。

程晓辉:我们做了很多年,每个体系的适用性依赖于它的假定。比如说颗粒很重要的特性是它不同于经典流体的,某种程度上是可以压缩而且不是速率无关的。假定要去除掉,就非常非常复杂,更不要说两相流、三相流,泥石流里还有气泡。所以我们的研究,跟厚老师比较接近,希望有简单的颗粒体系,先研究一些基本的物理机制,然后看基础的实验现象能不能走得通,再往工程的角度发展。

桂文庄:那么这种现象,当然非常重要,我不知道对突然的扰动造成的失稳,你们在物理上怎么解释?

程晓辉:从理论上来讲,颗粒物质的刚才说的力链的稳定性,还有跟它的弹性能量的稳定性,有点像我们欧拉荷载的理论解,已有一些理论吧。但实验目前没法作,欧拉荷载都知道理论在先,实验是到了100年以后。现在稳定性的实验,我觉得还没有什么完整理论可支撑的。

桂文庄:还有一个,你提到这个颗粒物质的麦克斯韦妖的现象,这个事情很有意思。颗粒在两个仓里是都是随机振动,一会儿到这个仓里,一会儿到那个仓里,它过来过去是随机形成的是吧?然后你还有把它的颗粒,通过这个麦克斯韦妖,逐步的迁移到一个仓里聚集起来。我觉得你解释这个麦克斯韦妖的现象,在物理上很有意思。这里头,麦克斯韦妖显然是违背热力学的一个现象,有各种各样解释,其中一个是说那个妖获得信息是需要能量的的,并不是说完全无能量耗散的。

厚美瑛:那个是经典平衡态体系的假想实验。我们的体系是开放系统,颗粒从外界振动不断获得能量。

桂文庄:但我不知道为什么它能一会儿聚集到这边,一会儿聚集到那边。

厚美瑛:刚才时间关系我没仔细讲,是这样的,两仓颗粒数目假设一开始是一样多的,各为二分之一。可是如果说在某一个瞬间,某一个仓比另一个仓数目多一点,也就是说有一个数量上的增加,这个时候颗粒数少的这边,因为数目减少,颗粒碰撞的几率就小一些,颗粒速度的损失会少一些、也就是能量损失少一些,这样数目少的仓颗粒速度会大一些,因此跳到另一仓的几率会大一些,颗粒数目进一步的减少,相当于有一个正反馈,直到颗粒都聚集另一仓中。

上面是一种颗粒的情况,如果我们放两种颗粒的话,体系会出现颗粒时钟现象。比如铜珠和玻璃珠,铜珠比较重,玻璃珠比较轻,当两种颗粒之间碰撞,因为质量的不相同,碰撞使得铜珠的速度降低、玻璃珠速度增加。开始的时候,如果铜珠和玻璃珠都在一个仓里,玻璃珠和铜珠碰撞拿到的动量会使它速度变快,跳过两仓连接的窗口的几率变大,因此玻璃珠会先跳到另一个仓里,此时在原来仓中与铜珠碰撞的玻璃珠少了,铜珠速度加快,所以也跳过去了,然后相同的情况有会使玻璃珠和铜珠再跳回来了。上面这个是二元耦合,所以它就会有一个我们叫颗粒时钟,会来回振荡。当有更多的仓或更多种颗粒的时候,就可能看到更丰富的非线性动力学的现象。这是一个很经典的简单体系,我觉得这是一个很好的可作为教学用的非线性动力学模型。

吴令安:流体颗粒研究是不是更难研究啊?因为它有流体本身的这个困难。

厚美瑛:对,刚刚说了,程晓辉老师他们就主要在工程上搞这个的,就是在实验上。在理论上的话,物理也有研究,我们的同事蒋老师就做颗粒固体的流体动力学模型。可是呢,真的要把这个东西搞清楚还需要很长的路去走。

陈延佩:很多化工反应是通过气固流化床来进行的,通过工业原料,做成细粉状,用气体吹起来。在工厂里,原料进入特别大的筒子里面进行反应,所以需要研究气固两相的相互运动,通过DEM模拟来预测。

吴令安:我想的就是,把这个扩展到生物医学里,如果说血液里的细胞,碰到一个血栓,是不是某一种细胞更多了,或者怎么的,堵塞了,有没有做这方面的研究?

厚美瑛:因为颗粒体系本身是模拟体系,所以实验上,我说了,目前在积累现象跟数据,我们有一些实验现象是跟生物学相关的,像颗粒Ratcheting(棘轮效应)现象,类似于生物马达那样子。

崔树范:就是那个容器呀,是不是有气压?这是一个。另外是不是有振动?你做这个实验?

厚美瑛:有空气,也有振动驱动,主要就是靠底盘振动,把速度传给颗粒,里头是有空气,空气是有一定作用,可是在我们的体系里头,我们的颗粒粒径比较大,空气的作用相较为次要,我们可以把它忽略掉。可是刚才我说的有一个现象,这里头是空气起的作用,使得重的颗粒会往上走,轻的颗粒往下,这个现象是空气效应引起的。

当我去振的时候,这个颗粒沙床被强烈的振荡起来,形成像一个毯子,使得吸进来的空气不能及时的排出去,在里头形成负压,振动越强,负压越大,所以使得原来的这个静水压的现象,倒过来,变成一个反过来静水压现象,所以重的颗粒往上,轻的颗粒往下。

王鹏业:因为细胞是可以变形的,现在没考虑到变形这块。因为细胞要复杂得多。红血球以及,你要别的血球,会变形,挤着,很复杂,还有血浆是复杂液体的性质,比这个要难很多。

厚美瑛:可是那个要做的时候也可以用。

王鹏业:是,这个会设计在心血管里,到毛细血管穿透。

潘明祥:你刚才说的日本那个小行星取样,我没听清楚,找了个地方着陆,取样的。

厚美瑛:对于小行星成分的探测可以让我们了解太阳系早期的组成成分。由于小行星本来就已经很小,着陆器准确的着陆十分关键。他们发现小行星表面适合着陆的平滑区域比预想的小很多,这使得精准地着陆变得很困难。有了这个困难之后,他们就开始研究,为什么小行星表面比预想要粗糙?为什么有这么大的烁石?科学家发现,这是因为小行星受到一点小的扰动,就会抖动,抖动时间很长,相当于颗粒在振床上振动产生的巴西果效应,也就是大的颗粒跑到上面来,小的颗粒会到底下去。所以说表面的平滑问题,主要是这个这样的原因造成的。

潘明祥:是先研究的还是后研究的?是之前还是之后碰到的?

厚美瑛:就是取样之前碰到的。我不知道是一次成功还是第二次才成功,它发现之后,回来研究,是这样子。就是以后的着陆,他们要避开这些粗糙表面着陆。

吕惠宾:我请教一个问题,自然界中间,这些大类的科学体系,都是在重力条件下。你们去除重力,微重力下研究,是因为这个体系太复杂了,你从基础研究的角度,去考虑它简化还是什么?

厚美瑛:你说的是其中一个目的,要把重力的这个作用拿掉以后才能看到它的本征行为。可是另外一方面,你刚才说都在重力环境下,不完全正确,因为不同的环境下它的重力条件是不一样的,比如说月球重力是1/6g,小行星的重力非常小,所以呢,这是为什么我们现在空间站的微重力环境中,把变重力加进去当作一个因素来研究。

崔树范:我也提一个问题,地球能不能看成一个颗粒体系?地球本身是不是可以看成颗粒?陆老师研究的那个。

厚美瑛:看从哪个角度上去看。从整个宇宙来看,地球当然是颗粒。至于研究地震问题,是把板块当成颗粒,板块运动的性质也会涉及板块之间的力链结构。所以你要说陆老师研究的那个,那个大概他是把这个力链作为着眼点,是大小板块之间的力链的相互作用。

冯宝华:你现在做的是颗粒的集群性,如果非常稀薄呢?

厚美瑛:刚才说了,这是一个复杂体系,尺度不同的时候,现象是不同的。那么如果说是单一颗粒,我们也能做的,受边界的碰撞,它受驱动的运动情况。

冯宝华:单个粒子行吗?

厚美瑛:单个粒子也可以看它运动行为,做不同研究。

冯宝华:比重不一样,可能小的颗粒比大颗粒还要质量大,这种状态,是不是不一定是你现在这种?

厚美瑛:对,它的密度是一个参数、尺寸大小是一个参数、表面是一个参数,就是看你研究什么问题。

潘明祥:它很多假定,互相影响。颗粒表面,包括力链,力链本身是一个复杂的东西,形状不一样啊,分布不一样。

冯宝华:自然环境当中,很多不同的粒子在一起。

吕慧宾:找一个单个的例子很难。

桂文庄:一般实验室研究时,颗粒本身的尺度范围是不是有一定的限制?

厚美瑛:一般在实验室里都是毫米量级。这是物理实验的尺寸,在工程或者是其它方面,尺度可能放大很多倍。尺寸有影响,比如说在工程上有尺度效应。

王育人:这个不一样,在工程上,在我们所叫黏土力学,是非常非常大的力学,很复杂,是搞黏土力学的土构关系,试图建立一个大的模型,然后他们的目标是工程目标,所以预测,比如说滑坡什么时候滑,灾害类的。这是两个侧面的问题,不能统一在一起,厚老师研究的是颗粒、物理上的。

厚美瑛:我们做物理主要是研究机制及它的影响因素,在工程上关心的是哪一个机制起主导作用,研究的方向不一样。

桂文庄:滑坡,这个失稳突变的机理是物理研究吗?

王育人:都有。

厚美瑛:我们现在在空间站上要做的,就是土木和物理结合起来,我们要把这个问题搞清楚。

潘明祥:那个涉及到群体行为,也涉及到,比如泥石流,黏土里头,颗粒的性质自身的性质不一定很强,但是胶体特性和受力变化特性,差别很大的,这个,距离它的颗粒的物质研究,还有相当大的距离。包括雪崩和泥石流又不太一样,现象有相似性,但是机理差距很大。

桂文庄:这些宏观现象背后的机制,可能力学的机制更多一些。力学也是物理,钱学森定义它是工程科学。

王育人:搞力学的人说先有力学后有物理。搞物理的人,说力学是物理的一个分成。都有道理。

王鹏业:你的颗粒比如说橡胶,弹性的,有吗?

厚美瑛:有比较硬的。

王鹏业:主要是这两个颗粒之间的能量传递,传过来到这里,再传过来回来了,如果改变效率呢?

厚美瑛:这个实验大概是秒的量级。软球的话,可能要很大的激振力才行,因为软球能量耗散太大了。

王育人:它变形太大。

厚美瑛:所以要挑材料。

潘明祥:差别很大的。

王鹏业:可以做塑料球。

厚美瑛:好久前就想做颗粒时钟这个非线性动力学教学模型教具,还找了两次不同的学生来做,后来都没有做出来。

张  褀:我们是有去买,现在不卖了。

厚美瑛:我们是有去台湾买。张褀的学生刚来的时候,就希望把这个模型做出来,结果没有继续下去。看谁愿意支持,我们可以把这个做成。

王鹏业:这个跟电路里面震荡现象很相似。

厚美瑛:对,电路,还有化学反应。可是这个颗粒时钟模型更好,因为它时间尺度、空间尺度刚好是与人相关的。我一直想把这个弄成教学专利,就是麦克斯韦妖。

陈  科:可以啊,这个很好,没有什么技术难度嘛。

厚美瑛:想起来应该是没有。

陈  科:只要有设计就可以做出来。

王鹏业:刚才说买了,人家不卖。

潘明祥:钱不多,钱多了肯定会卖。

桂文庄:厚老师,您最后一张片子,这个研究的重要性,特别是讲到了它是人类未来走向宇宙的一个钥匙,怎么理解你现在的这种颗粒行为的研究,它会影响到我们人类的未来?

厚美瑛:其实解释就在片子里的这句话:不管发展任何文明,都要搞建筑,你必须挖掘地基。在月球或者是行星的表层,要建筑任何人的活动所需的构造,都需在星球表层上运用机器,这些活动都是跟刚才说的颗粒流体行为相关,所以颗粒物理让你了解它的机理,只有你清楚了这些机理,你才能去建造合理的机械构造。

桂文庄:一头是一个重力,一头是微重力,这两极中间还有各种层次不动的重力,比如说月球,你是不是在一个体系里去研究?

厚美瑛:是的,这个是我刚才说的,我们现在空间站的实验是变重力装置,这也是我们比别人先进的一块儿,我们不只是要在空间站上做长时间的微重力实验,因为空间站上本身就是持续作用,我们在这个基础上做变重力。

桂文庄:现在在空间站上有了吗?

厚美瑛:现在变重力柜已经有了,我们正在立项,要到2022年发射。上个礼拜刚刚通知我,我们的实验将往前排,不管再怎么往前排,还是要跟这个微重力柜走。我们现在大概是20公斤。主要取决于我们的样品仓。

王鹏业:还一个东西用于改变重力,在生物学上用了很多超速率离心机,这样可以得到很大的模拟重力。

程晓辉:我们现在做离心机,完全是通过尺度相似来模拟,用小尺度的模型模拟非常大的模型。这里涉及能量缩距,尺度缩距,质量的缩距。物理所用我们的离心机在做。现在在浙大做1000g的,我们也在做1000g的。

吕惠宾:时间关系,就讨论到这里,大家关心的问题,会后还可以进一步交流。

[返回]

 

 

 
查看评论