Materiais granulares, como a areia, possuem características misteriosas que continuam deixando os cientistas impressionados; por exemplo, imagine a areia numa ampulheta, ela pode se comportar como um sólido em alguns momentos e fluir livremente como um líquido em outras ocasiões. Os especialistas Onuttom Narayan, da Universidade da Califórnia, e Harsh Mathur, da Case Western Reserve University em Ohio, dizem ter encontrado uma forma de descrever esse comportamento.
Em um artigo publicado na revista científica European Physical Journal E, os pesquisadores descrevem ter encontrado uma maneira de descrever esse ponto de interferência entre o estado de fluxo e sólido dos materiais granulares. Compreender o problema é importante para evitar bloqueios sólidos quando é necessário um fluxo suave, especialmente em diversos materiais utilizados nas indústrias farmacêuticas, de construção e agrícola.
Por exemplo, na produção de algum remédio em formato de pílula, é necessário realizar um processo que compacta os grânulos e os transforma em comprimidos — assim, o material passa do estado fluido para o sólido. Os dados do estudo também poderão ser utilizados para prever o comportamento de regiões de sedimentos terrestres onde edifícios serão construídos.
"O espectro vibracional dos empacotamentos granulares pode ser usado como uma assinatura da transição de interferência, com a densidade dos estados na frequência zero tornando-se diferente de zero na transição. Foi proposto anteriormente que o espectro vibracional de empacotamentos granulares pode ser obtido aproximadamente a partir da teoria da matriz aleatória", o estudo descreve.
Ponto de interferência: fluído e sólido
Para compreender esse ponto de interferência, os pesquisadores realizaram simulações computacionais com informações que outros cientistas coletaram ao estudar esferas de poliestireno sem atrito. A partir daí, as simulações foram comparadas com a teoria da matriz aleatória, um compilado de previsões matemáticas desenvolvida em meados da década de 1950.
Os cientistas também observaram como as frequências vibracionais se propagavam através do material granular.Fonte: Getty Images
O resultado permitiu que os cientistas desenvolvessem um modelo que descreve as particularidades estáticas e vibracionais dos materiais granulares. A observação também possibilitou a compreensão de que, à medida que os grânulos se chocavam entre si, eles se comprimiam e recuavam como uma mola; isso mostra que mesmo uma pequena colisão pode gerar uma grande força devido ao comportamento dos grânulos.
O objetivo final dos cientistas era estudar a evolução da distribuição desses materiais granulares próximos ao ponto de interferência, quando as partículas se chocam antes de ficarem presas — como em uma pílula, comprimida até se tornar sólida.
"Neste artigo, mostramos que uma abordagem de matriz aleatória pode ser usada com sucesso para calcular as correlações entre frequências vibracionais em um sistema granular próximo à transição de interferência, se o conjunto de matrizes for escolhido corretamente. E as propriedades vibracionais da matéria granular sugerem que pode ser aplicável de forma mais ampla para fornecer uma compreensão unificada da física da matéria granular", o artigo concluiu.
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