En una porción de frutos secos mixtos , las nueces de Brasil más grandes a menudo terminarán en la superficie.Una demostración del efecto nuez de Brasil utilizando un frasco de vidrio, una taza de arroz y una pila de monedas que actúa como el intruso ubicado inicialmente en la parte inferior.
La convección granular es un fenómeno en el que el material granular sometido a sacudidas o vibraciones exhibirá patrones de circulación similares a los tipos de convección de fluidos . [2] A veces se le llama efecto nuez de Brasil , [3] cuando las partículas más grandes de forma irregular terminan en la superficie de un material granular que contiene una mezcla de objetos de varios tamaños. [4] Este nombre deriva del ejemplo de un recipiente típico de frutos secos mixtos , en el que los más grandes serán las nueces de Brasil . El fenómeno también se conoce como efecto muesli , ya que se observa en paquetes de cereales para el desayuno que contienen partículas de diferentes tamaños pero densidad similar , como la mezcla de muesli .
En condiciones experimentales, se ha observado la convección granular de partículas de diversos tamaños que forman celdas de convección similares al movimiento de un fluido. [5] [6]
Explicación
Un vídeo que muestra cómo agitar una bolsa de muesli hace que los ingredientes más grandes suban a la superficie.
Puede resultar contradictorio descubrir que las partículas más grandes y (presumiblemente) más pesadas suben a la superficie, pero hay varias explicaciones posibles:
Cuando los objetos tienen forma irregular, el movimiento aleatorio hace que algunos elementos oblongos giren ocasionalmente en una orientación vertical. La orientación vertical permite que los elementos más pequeños caigan debajo del elemento más grande. [4] Si el movimiento posterior hace que el elemento más grande se reoriente horizontalmente, permanecerá en la parte superior de la mezcla. [4]
El centro de masa de todo el sistema (que contiene las nueces mixtas) en un estado arbitrario no es óptimamente bajo; tiene la tendencia a ser más alto debido a que hay más espacio vacío alrededor de las nueces de Brasil más grandes que alrededor de las nueces más pequeñas. [ cita requerida ] Cuando se agitan las nueces, el sistema tiene la tendencia a moverse a un estado de energía más bajo, lo que significa mover el centro de masa hacia abajo moviendo las nueces más pequeñas hacia abajo y, por lo tanto, las nueces de Brasil hacia arriba. [ cita requerida ]
Si se incluyen los efectos del aire en los espacios entre las partículas, las partículas más grandes pueden flotar o hundirse. Las partículas más pequeñas pueden caer en los espacios debajo de una partícula más grande después de cada agitación. Con el tiempo, la partícula más grande se eleva en la mezcla. (Según Heinrich Jaeger, "[esta] explicación para la separación por tamaño podría funcionar en situaciones en las que no hay convección granular, por ejemplo, para contenedores con paredes laterales completamente sin fricción o muy por debajo de la superficie de contenedores altos (donde la convección está fuertemente suprimida). Por otro lado, cuando la fricción con las paredes laterales u otros mecanismos establecen un patrón de convección dentro del contenedor vibrado, descubrimos que el movimiento convectivo inmediatamente se convierte en el mecanismo dominante para la separación por tamaño". [7 ]
La misma explicación sin argumentos de flotabilidad o centro de masa: cuando una partícula más grande se mueve hacia arriba, cualquier movimiento de partículas más pequeñas hacia los espacios inferiores impide que la partícula más grande vuelva a asentarse en su posición anterior. El movimiento repetitivo da como resultado que más partículas más pequeñas se deslicen debajo de partículas más grandes. Una mayor densidad de partículas más grandes no tiene efecto en este proceso. La agitación no es necesaria; cualquier proceso que eleve partículas y luego las deje asentarse tendría este efecto. El proceso de elevar las partículas imparte energía potencial al sistema. El resultado de que todas las partículas se asienten en un orden diferente puede ser un aumento de la energía potencial, una elevación del centro de masa.
Cuando se agitan, las partículas se mueven en un flujo de convección inducido por vibración ; las partículas individuales se mueven hacia arriba a través del centro, a través de la superficie y hacia abajo por los lados. Si se trata de una partícula grande, se moverá hacia arriba por el flujo de convección. Una vez en la parte superior, la partícula grande permanecerá allí porque las corrientes de convección son demasiado estrechas para arrastrarla hacia abajo a lo largo de la pared.
La distribución del tamaño de poro de un empaquetamiento aleatorio de esferas duras con varios tamaños hace que las esferas más pequeñas tengan mayor probabilidad de moverse hacia abajo por gravedad que las esferas más grandes. [8]
El fenómeno está relacionado con la paradoja de Parrondo en la medida en que las nueces de Brasil se mueven hacia la parte superior de las nueces mixtas contra el gradiente gravitacional cuando se someten a una sacudida aleatoria. [9]
El efecto se ha observado incluso en partículas diminutas impulsadas únicamente por el movimiento browniano sin aporte de energía externa. [11]
Aplicaciones
Fabricación
Este fenómeno hace que las pasas tiendan a subir a la parte superior de una caja de cereales para el desayuno , de modo que las primeras porciones del cereal contienen más pasas de lo habitual y solo quedan copos en el fondo de la caja.
El efecto es de interés para la fabricación de alimentos y operaciones similares. [4] Una vez que se ha producido una mezcla homogénea de materiales granulares, normalmente no es deseable que los diferentes tipos de partículas se segreguen. Varios factores determinan la gravedad del efecto nuez de Brasil, incluidos los tamaños y densidades de las partículas, la presión de cualquier gas entre las partículas y la forma del recipiente. Una caja rectangular (como una caja de cereales para el desayuno ) o un cilindro (como una lata de nueces) funcionan bien para favorecer el efecto, [ cita requerida ] mientras que un recipiente con paredes inclinadas hacia afuera (como en una geometría cónica o esférica) da como resultado lo que se conoce como el efecto nuez de Brasil inverso . [12]
En geología , el efecto es común en áreas que anteriormente estuvieron cubiertas por glaciares, como Nueva Inglaterra , y en áreas de regiones de permafrost donde el paisaje está modelado en montículos por el levantamiento de las heladas : nuevas piedras aparecen en los campos cada año desde las profundidades subterráneas. Horace Greeley señaló: "Recoger piedras es un trabajo interminable en una de esas granjas de Nueva Inglaterra. Recoge tan de cerca como puedas, la siguiente arada muestra una nueva erupción de rocas y guijarros, desde el tamaño de una nuez de nogal hasta el de una tetera". [15] Una pista de la causa aparece en su descripción adicional de que "este trabajo se debe realizar principalmente en marzo o abril, cuando la tierra está saturada de agua helada". El agua subterránea se congela, levantando todas las partículas que se encuentran por encima de ella. A medida que el agua comienza a derretirse, las partículas más pequeñas pueden asentarse en los espacios abiertos mientras que las partículas más grandes aún se elevan. Para cuando el hielo ya no sostiene las rocas más grandes, estas están al menos parcialmente sostenidas por las partículas más pequeñas que se deslizaron debajo de ellas. Los ciclos repetidos de congelación y descongelación en un solo año aceleran el proceso.
Este fenómeno es una de las causas de la gradación inversa que se puede observar en muchas situaciones, incluida la licuefacción del suelo durante terremotos o deslizamientos de tierra . La licuefacción es un fenómeno general en el que una mezcla de fluido y material granular sometido a vibración finalmente conduce a patrones de circulación similares tanto a la convección de fluidos como a la convección granular. De hecho, la licuefacción es una convección fluido-granular con patrones de circulación que se conocen como ebullición de arena o volcanes de arena en el estudio de la licuefacción del suelo. [16] La convección granular también se ejemplifica con el flujo de escombros , que es un deslizamiento de tierra licuado de rápido movimiento de escombros saturados no consolidados que parecen hormigón fluido. Estos flujos pueden transportar material que varía en tamaño desde arcilla hasta cantos rodados, incluidos escombros leñosos como troncos y tocones de árboles. Los flujos pueden ser provocados por lluvias intensas, derretimiento de glaciares o una combinación de los dos.
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