브라질 땅콩효과 (Brazil-nut effect) 라고 합니다.
여러 종류의 땅콩을 한군데 섞어 놓은 땅콩 믹스 캔을 사서 뚜껑을 열어보면 항상 가장 큰 브라질 땅콩이 위에 있다는 것에서 붙여진 이름인데요.
작은 알갱이와 큰 알갱이를 섞어넣고 MRI로 촬영해서, 알아낸 것에 의하면,
수직으로 흔들리는 작은 알갱이들은 마치 끓는 냄비속의 물처럼 대류현상을 일으킨다고 합니다.
흔들리는 용기 벽 속의 모래 알갱이들은 아래쪽으로 내려가고 내부의 입자는 위로 떠올라 굽은 아치형층을 형성합니다. 맨 위로 떠오는 알갱이 들도 나중에 가장자리로 밀려 아래로 내려가게 된다고 합니다. 하지만 알갱이가 큰경우 작인 아치형 층을 형성하기에 너무 커서 계속 위쪽에 머무르게 됩니다. 그래서 결국 한번위로 올라온 큰 알갱이 들은 다시 내려 가지 못하고 맨 위층을 형성하게 된다고 합니다.
1831년 마이클 패러데이에 의해 처음 발견되었지만 1996년에 이런 과정이 처음으로 기술 되었다고 합니다.
최근에 발표된 논문(T. Shinbrot and F. J. Muzzio, Phys. Rev. Lett. 81, 4365 (1998))에 의하면 모래상자 안에 물체를 넣고 흔들면 무거운 물체는 떠오르고 가벼운 물체는 가라앉아 마치 중력법칙을 무시하는 듯한 결과를 보인다고 한다. 이런 현상은 모래와 같은 소위 알갱이 물질(granular material)에서 일어나는 복잡한 현상의 일례라고 하겠다.
모래는 흔들면 "흘러" 내리기는 하지만 유체는 아니기 때문에 물체의 무게를 지탱할 수 있는데, 그렇다고 해서 고체도 아니다. 알갱이 물질의 흐름(granular flow)은 전자재료, 기름, 가스, 제지, 유리제조, 농업 등의 산업에서 중요한 역할을 한다.
즉, 이들 산업에 사용되는 염료, 의약품, 가공식품 등은 혼합고체인데 제조 유통과정에서 심하게 흔들리게되는 경우가 많아서, 흔들리더라도 잘 섞인 상태를 유지하는 것이 중요하기 때문이다. 하지만 물리학자들은 이러한 알갱이 물질의 가장 간단한 거동도 아직 방정식으로 설명하지 못하고 있다.
미국 뉴저지주 Rutgers 대학의 T. Shinbrot는 "우리 연구에서 다루는 실험은 세살 짜리 어린애도 할 수 있는 것들이다. 하지만 우리 물리학자들은 실험 결과를 설명할 수가 없다."라고 말한다.
알갱이 물질과 관련하여 물리학자들이 관찰한 여러 가지 이상한 현상 중에는 "브라질 땅콩" 효과라는 것이 있다.
깡통 속에 크기가 여러 가지인 땅콩을 넣고 흔들면 가장 큰 것들만 위로 올라오는 현상이다. 이러한 현상에 대한 설명으로는 깡통을 흔들면 땅콩들의 대류(convection)가 일어나는데, 용기 벽 주변의 좁은 띠와 같은 영역에서는 물질들이 계속 가라앉는 곳이 생기고, 용기 벽에서 떨어진 곳에서는 물질들이 위로 올라가게 된다는 것이다.
즉, 큰 땅콩들은 용기 벽 주위에 형성된 가라앉는 좁은 띠에 비해서 너무 크기 때문에 가라앉지 못하고 위에 갇혀 버리게 된다는 것이다. 하지만, Shinbrot와 그의 Rutgers 대학 동료인 F. Muzzio는 이와는 다른 현상을 발견했는데, 가라앉고 떠오르는 현상이 물체의 크기가 아닌 밀도와 관련이 있다는 것이다. 이들은 플라스틱으로 만든 부활절 달걀에다가 서로 다른 양의 쇠 조각을 채운 후에 아주 고운 유리가루 위에 놓고, 약 10 Hz 정도의 주파수로 심하게 흔들었다. 그랬더니 크기가 같은데도 불구하고 무거운 달걀은 위로 떠올랐고 가벼운 달걀들은 바닥으로 가라앉아 버렸다.
이러한 현상에 대해서 Shinbrot와 Muzzio는 무거운 물체는 관성이 크기 때문에 흔들 때마다 부드럽게 약간씩 들려지게 되고, 이때 주변에 있는 가루가 이 물체의 밑으로 들어갈 수 있게 되어 결국은 위로 밀려 올라간다는 것이다. 가벼운 물체는 주변의 입자들과 비슷하게 쉽게 흔들리게 되고 따라서 주위의 입자들이 밑으로 흘러 들어갈 기회가 적어진다는 것이다.
이들은 이러한 계의 일차원 모델에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과가 이런 설명을 뒷받침한다고 한다.
인터넷(http://focus.aps.org/ v2/st26.html)에서 이 실험과 관련된 비디오 파일을 볼 수 있다
Antigravity in a Sandbox
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 Troy Shinbrot/Rutgers University |
| Fancy flows. Shinbrot and Muzzio found that heavy objects float and light objects sink in a shaking bed of sand. In other experiments they observed these flow patterns when they tilted the bed. (See videos below.) | | | | |
Large objects seem to defy gravity in a shaking box of sand, according to a report in the 16 November PRL. The authors found that with vigorous shaking, heavy objects placed in the sand float to the top, while light objects sink. They propose a partial explanation for the phenomenon but admit to being puzzled by some of their observations. The experiments provide an example of the surprisingly complex behaviors physicists have seen in granular materials, which do not obey standard equations for either fluids or solids.
Sand can "flow" when shaken and conform to the shape of a container, but it's not a fluid. It can support the weight of an object, but it's not a solid. In fact, physicists have been unable to come up with a basic set of equations to describe the simplest behaviors of granular materials. They would like to explain granular flows with comprehensive equations like those known for fluids, partly for industrial applications: Granular materials are handled in many industries, including electronics materials, oil and gas (soil dynamics), paper and glass manufacturing, and agriculture. Mixed solids, such as pigments, pharmaceuticals, and processed foods, undergo large amounts of shaking during processing and transport, and the producers would like their products to remain well-mixed. But some physicists simply enjoy working with such seemingly simple systems. "Most of our work involves experiments that a three-year-old could do," says Troy Shinbrot, of Rutgers University in Piscataway, NJ, "and yet we grown-up scientists can't explain them."
One of the many strange phenomena physicists have studied is the "Brazil nut" effect: Shake a can of mixed-size nuts, and the largest ones tend to float to the top. One possible explanation is that the shaking sets up a nut convection, with a narrow band of material continually sinking along the sides of the container, while material away from the edges flows upward. According to this theory, the largest nuts are too wide to fit in the narrow sinking layer along the edges and are trapped on top. But Shinbrot and his Rutgers colleague Fernando Muzzio found a different effect, one that involves density rather than size. They put plastic Easter eggs filled with varying amounts of steel shot on a bed of fine glass powder and shook vigorously, at a range of frequencies around 10 Hz. The heavier eggs floated as expected, but the lightest eggs sunk to the bottom. According to Shinbrot, anyone can observe the effect by filling a jar half-way with salt, placing a steel nut and a screw bottle-cap (or other high- and low-density objects) inside, and shaking vigorously.
Shinbrot and Muzzio propose that the larger inertia of a heavier object allows it to lift smoothly in the air with each shake, so that the surrounding powder can easily slide underneath it and gradually raise it up. A lighter object is more easily jostled by nearby particles, allowing less opportunity for them to seep underneath it. The team ran a computer simulation of a one-dimensional version of their system, and the results qualitatively support their explanation. But Shinbrot concedes that much more work is needed before he can explain the data in detail and compare them with other experiments.
Anthony Rosato, of the New Jersey Institute of Technology in Newark, says the experiments show that "there are a lot of things that we just don't know" about granular materials. He adds that while observations like these are important, real progress will only come when researchers develop more comprehensive theories that account for a wide variety of granular phenomena.
Videos
Shaking Sand Videos
This video shows the "reverse buoyancy" effect--the heavy egg floats and the light egg sinks.
AVI (12.3 MB) MOV (37.8 MB) RM (6.0 MB) MPG (5.6 MB)
This video shows the oozing patterns created in the fine-grained sand when the bed is shaken and tilted.
AVI (7.1 MB) MOV (5.3 MB) RM (776 KB) MPG (5.6 MB)
Videos courtesy of Troy Shinbrot, Rutgers University
Information on viewing video files.
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