Materia granular

El registro más antiguo que se tiene acerca de este tema proviene del poeta romano Lucrecio.

Alrededor del año 55 a. C. escribió:[3]​ En el Renacimiento, Leonardo da Vinci realizó experimentos que demostraban las leyes de la fricción en seco.

[7]​ Más adelante, diversos investigadores estudiaron la forma en que se distribuyen las fuerzas de los granos almacenados en un silo.

[9]​ Lord Rayleigh estableció una analogía entre este problema y la resistencia a la tracción de una cuerda enroscada en un poste.

[10]​[11]​ Hacia finales del siglo XIX Osborne Reynolds realizó importantes descubrimientos que contribuyeron al estudio de la materia granular.

Sin embargo, si el material granular se somete continuamente a fuerzas oscilantes, tales como sacudidas, las partículas adquieren una velocidad.

Es por esta razón que no es posible aplicar los principios de la termodinámica clásica a la materia granular.

[23]​ Cuando un material granular fluye, diferentes fuerzas disipativas —fricción entre partículas, resistencia del aire, etc.— se presentan y alteran su comportamiento.

[26]​ Los granos con forma elongada pueden modificar la fricción y hacer más difícil el flujo del material granular debido a que se pierde energía cuando rotan.

[28]​ Como ya se ha explicado anteriormente, la materia granular exhibe diferentes comportamientos dependiendo del tipo de fuerzas externas a las que esté sujeta.

Esta semejanza, sin embargo, suele perderse muy fácilmente con tan solo aplicar una pequeña fuerza sobre el material.

Un montón de granos, por ejemplo, puede perder su solidez y comenzar a fluir con tan solo inclinar el material.

A su vez, las partículas debajo de éste deben estar sostenidas por otras más abajo, y así sucesivamente hasta alcanzar el fondo o las paredes del recipiente.

Esto explica el por qué una persona puede permanecer de pie sobre la arena: aunque la fuerza debida a su peso es grande, esta se distribuye entre muchos granos.

En cambio, en los medios granulares, la presión puede seguir diferentes caminos de contactos hasta alcanzar las paredes.

Este fenómeno es observado también en las playas: al caminar una persona sobre la arena mojada, las huellas de los pies parecen secarse.

[38]​ La transición entre un medio granular estático y uno fluyendo se suele dar al iniciar una fuerza oscilatoria externa, dando lugar a una fluidización.

[48]​ Michael Faraday fue la primera persona en reportar este fenómeno, al estudiar la formación de montículos en materiales granulares bajo vibración.

[49]​ Originalmente se propuso que el origen de la convección granular se debía a la circulación de aire entre los granos, haciendo que estos últimos ascendieran por el centro del sistema y descendieran por las paredes del recipiente.

[50]​ Más adelante, se encontró que las paredes del recipiente pueden generar la suficiente fuerza para dar lugar a la convección.

Al haber subido las partículas centrales mayor altura, se genera un hueco en el fondo del recipiente que es ocupado por los granos exteriores.

Al cambiar de dirección el movimiento del sistema, los granos que recién ocuparon este espacio impiden a la partícula mayor descender.

[60]​ Este hecho le dio un giro completo al problema: la convección y la infiltración eran insuficientes para explicar la segregación granular.

Para aquellas partículas con mayores densidades se podía explicar el fenómeno como debido simplemente a una fuerza de flotación.

[62]​ Para poder describir correctamente esta última es necesario tomar en cuenta todas las variables descritas por los diferentes autores.

Este fenómeno se ha podido explicar, al igual que el efecto convencional, con un gradiente de presiones.

Muchos factores intervienen en la forma de dicho flujo, el cual puede ser constante o interrumpirse súbitamente.

Sin embargo, si se deja caer una gran cantidad de estos objetos al mismo tiempo dentro del mismo recipiente, el sistema en conjunto se detendrá casi instantáneamente, debido a que el número de colisiones es mucho mayor.

[71]​ Para que un medio granulado presente un comportamiento parecido al de un gas debe estar sometido a una fuerza constante lo suficientemente grande.

Al ocurrir esto, la presión ejercida por las mismas disminuirá, provocando que otras partículas que no se encontraban en esa zona entren a la misma, incrementando aún más la cantidad de colisiones y la pérdida de energía.

Ejemplos de materia granular: esferas de plástico, grava , lentejas y semillas de ajonjolí .
Dibujos realizados por Ernst Chladni que muestran los patrones formados por arena colocada sobre una placa metálica cuadrada al ser sometida a vibraciones.
Ejemplo de materia granular polidispersa : un tazón de kongbap , mezcla de arroz y varias semillas, común en la cocina coreana .
Cuando las partículas se distribuyen de forma hexagonal, el material granular alcanza la máxima compactación , .
Los chocolates M&M's son ejemplos de partículas con forma de esferoide oblato.
Formación de cadenas de esfuerzo (en azul) uniendo los puntos de contacto de partículas adyacentes. El peso de la esfera roja es repartido entre varias partículas del material.
La estructura más estable que pueden formar un conjunto de esferas sostenidas por fricción estática es una catenaria invertida (curva negra).
Pila de tanino en polvo mostrando la típica estructura cónica que forman los medios granulares al apilarse.
El ángulo de reposo de una pila de material granular es aquel que se forma entre el suelo y la superficie de la pila.
En verde: presión en el fondo de un recipiente de 2 m de diámetro ( m) que contiene un material granular con densidad de 1000 kg/m³ en función de la altura de llenado. La línea roja punteada representa la presión que ejercería un fluido simple. La línea negra representa la máxima presión que puede ejercer el material.
Dilatancia de Reynolds : un recipiente de goma lleno de arena y agua que llega hasta una cierta altura de un tubo de vidrio incorporado a él, al ser comprimido, el agua desciende de nivel debido a que ocupa los espacios creados por la compresión sobre la arena.
Un material granular recién vaciado dentro de su contenedor (a) tiene una fracción de volumen muy baja. Si se somete al sistema a vibraciones horizontales, ocurre un reacomodo de partículas, la fracción de volumen aumenta, y el espacio vacío y el volumen total disminuye (b).
Esquema representando materiales granulares sometidos a agitación vertical. Un recipiente cilíndrico (izquierda) induce una convección granular donde los granos suben por el centro y bajan por los costados. Un recipiente cónico (derecha) induce un movimiento convectivo a la inversa que en el primer caso.
Un ejemplo del mecanismo del efecto de las nueces del Brasil . Un «intruso» colocado dentro de un material granular tiende a subir dentro del mismo cuando el granulado es sometido a agitaciones verticales. El intruso debe poseer un diámetro mayor al de las partículas que conforman el medio granular.
Un material granular se atasca cuando intenta pasar a través de una tolva debido a la formación de arcos (esferas rojas).
En un gas granular que inicia con una distribución uniforme se agrupan partículas en estructuras en forma de cadenas (partículas rojas), alrededor de las cuales más partículas se acumulan.