Granulární materiály vydávají před sesuvem nebo jiným přeskupení charakteristické zvuky. S novým poznatkem nedávno přišli vědci z univerzity v Severní Karolíně. Jejich výzkum by mohl usnadnit předpovídání přírodních katastrof, jako jsou sesuvy půdy, zemětřesení nebo vulkanické erupce.
Když granulární materiály zaznamenají střihové síly – například když se o sebe třou tektonické desky nebo pokud hmotnost sněhu na strmých svazích působí proti síle tření – zrna vibrující mikroskopickou amplitudou se nejprve zarazí, přilnou k rozhraní a v materiálu vznikne napětí. Pokud je toto napětí příliš velké na to, aby ho materiál vydržel, zrníčka najednou sklouznou nebo se přeskupí do různých obrazců. Během tohoto přechodu přilnutí-sklouznutí vytvoří zrna nízkofrekvenční vibrační módy, až se napětí náhle rozptýlí. Přítomnost těchto módů může být detekována ve formě zvukových vln, které jsou emitovány na rozhraní materiálů.
Fyzici ze Severní Karolíny tyto jevy studovali už dříve. Do granulárních materiálů vysílali zvukové vlny a úspěšně zdokumentovali, jak se vlny vyvíjejí a vytvářejí charakteristické tvary těsně předtím, než dojde k přechodu a sklouznutí zrn. V nejnovějších experimentech se ale rozhodli jít méně invazivní cestou.
Vytvořili komůrku, jejíž vnitřní stěna rotuje rychlostí jedna otáčka za hodinu, zatímco vnější je statická. Prostor mezi stěnami vyplnili vrstvou s osmi tisíci malými plastickými destičkami, které k sobě těsně doléhají a imitují granulární materiál. Destičky brání rotaci vnitřní stěny, čímž se v celém systému generují střihové síly. Když náhle dojde k přechodu, destičky se bleskově (cca za půl sekundy) přestaví. Během tohoto procesu, který se opakuje zhruba jednou za minutu, se vytváří zvuk. Ten registrují čidla vestavěná ve vnější stěně.
Když se v systému nahromadí napětí, jednotlivé destičky vibrují v omezené oblasti módů. To má za následek vytvoření spektra zvukových vln s podobnými frekvencemi, které se v čase nijak podstatně nemění. Jenže těsně před každým sklouznutím se rozložení frekvencí vibračních módů disků začíná rozšiřovat, zatímco střední frekvence postupně roste. Po každém sklouznutí ale tato střední frekvence opět rychle klesne a rozložení se zužuje.
Rozdělení frekvencí je podle fyziků natolik charakteristické, že by mohlo umožnit předpovídat skluzové jevy také v přírodních materiálech. Čidla by měřila změny zvukových vln emitovaných v místě, kde se mohou vyskytovat laviny, sesuvy půdy nebo vulkanické erupce. Zvláště užitečný by byl systém pro předpovídání zemětřesení, což ovšem vyžaduje úzkou spolupráci se seismology, kteří musí poskytnout sofistikované metody pro detekci takových jevů.
Výzkum je uveřejněn ve Physical Review Letters.
Mohlo by vás zajímat:
Ultrarychlý
grafenový bolometr
Permitivita
vody trochu jinak
Vesmírná
mise otestuje kvantovou gravitaci
Jaderná
fúze v mikroskopických měřítkách