Интуитивно разбираме, че пясъкът, който се изсипва през пясъчен часовник например, образува на дъното чиста купчина с форма на пирамида, в която зърната близо до повърхността се стичат върху основа от неподвижни частици. Лавините и пясъчните дюни показват подобна динамика. Но учени от университета Lehigh в Пенсилвания са открили, че прилагането на магнитен въртящ момент всъщност може да накара пясъчните частици да се движат колективно нагоре, като че ли в разрез с гравитацията.

Пясъкът е доста интересен материал от гледна точка на физиката. Той е пример за гранулиран материал, тъй като действа едновременно като течност и твърдо тяло. Сухият пясък, събран в кофа, се излива като течност, но може да издържи тежестта на камък, поставен върху него, като твърдо тяло, въпреки че камъкът технически е по-плътен от пясъка. Така че пясъкът не се подчинява на всички подредени уравнения, описващи различните фази на материята, и преходът от течаща "течност" към твърдо "твърдо тяло" става доста бързо. Сякаш зърната действат като отделни индивиди в течната форма, но са способни внезапно да се обединят, когато е необходима солидарност, постигайки странен вид ефект на "сила в бройката".

Физиците също не могат да предвидят точно лавината. Това отчасти се дължи на огромния брой песъчинки дори в малка купчина, всяка от които взаимодейства с няколко непосредствено съседни песъчинки едновременно - и тези съседи се променят от един момент нататък. Дори суперкомпютър не може да проследи движението на отделните зърна във времето, така че физиката на потока в зърнеста среда остава жизненоважна област на изследване.

Но песъчинки, които колективно текат нагоре? Това е просто странно поведение. Инженерът Джеймс Гилкрист ръководи Лабораторията за смесване на частици и самоорганизация и се натъква на това странно явление, докато експериментира с "микроролери": полимерни частици, покрити с железен оксид (процес, наречен микрокапсулиране). Един ден той въртял магнит под флакон с микроролери и забелязал, че те започнали да се трупат нагоре. Естествено той и колегите му трябвало да продължат да изследват.

За своите експерименти Гилкрист и др. прикрепят неодимови магнити към моторно колело на интервали от 90 градуса, като редуват полюсите, насочени навън. Апаратът включвал също така държач за проби и USB микроскоп във фиксирано положение. Микроролките бяха подготвени, като бяха суспендирани в стъклен флакон, съдържащ етанол, и с помощта на магнит бяха отделени от праха или всякакви непокрити частици. След като микроролките бяха чисти, те бяха изсушени, суспендирани в пресен етанол и заредени в държача за проби. Вибриращ двигател разбърква пробите, за да се получат сплескани гранулирани легла, а моторизираното колело беше приведено в движение, за да приложи магнитен въртящ момент. С гаусметър се измерваше силата на магнитното поле спрямо ориентацията.

Резултатите: всеки микроролер започна да се върти в отговор на магнитния момент, създавайки двойки, които се образуват за кратко и след това се разделят, а увеличаването на магнитната сила увеличава сцеплението на частиците. Това от своя страна дава на микроролките по-голямо сцепление и им позволява да се движат по-бързо, като работят заедно, за да се движат по неинтуитивен начин нагоре. При отсъствието на този магнитен въртящ момент микроролерите се движат нормално надолу по склона. Действието, предизвикано от въртящия момент, е толкова неочаквано, че изследователите създават нов термин, за да го опишат: "отрицателен ъгъл на покой", причинен от отрицателен коефициент на триене.

Снимка: Unsplash

Виж още: Без огледала за обратно виждане за автоматизираните возила без водач