焰火背后的科学

<正>焰火已经成为全世界庆祝活动的标志。作者Pierre Thebault通过五光十色的烟花和响亮的爆竹声,把目光投向了焰火技师用来改善烟花安全、对环境的影响和焰火的壮观程度等一系列科学技术问题。在跨年夜的钟声敲响的时候,夜空被夹杂着噼噼啪啪爆竹声的绚丽多彩的烟花所照亮。虽然我们在家就可以燃放烟花,但是专业的焰火表演更为璀璨壮丽。从全国性庆祝活动到世界杯和奥运会等国际体     

二维胶体玻璃中玻色峰与结构无序度的关联

本文从实验上研究了胶体玻璃在相同面密度下随着体系结构无序程度的增加, 振动态密度和玻色峰的变化规律. 通过调制两种不同粒径的温敏性水凝胶的数量比来改变体系的无序程度. 通过分析无序体系的声子模式得到体系的振动特性. 研究发现, 随着无序度的增加, 态密度在低频区域增强、玻色峰增高、玻色峰的峰值向低频区域移动. 不同无序程度的样品引起玻色峰的低频声子模式都表现出准局域的特点, 且低频准局域声子模式与样品中无序结构存在关联.     

玻璃-橡胶混合颗粒体系的弹性行为研究

废旧橡胶制品颗粒与砂土颗粒混合物作为建筑填充材料具有环保、轻质、减震效果好等特点.软硬组分的混合比例可以调制体系力学性能从而实现兼顾材料柔韧性与强度的需求,但细观层面上材料性能改变的原因尚不明确.本文主要研究玻璃-橡胶混合颗粒体系的弹性行为及其微观机制.利用飞行时间法测量混合材料等效动弹性模量,发现随着橡胶颗粒增加,体系逐渐从类玻璃刚性行为转变为类橡胶柔性行为.离散元模拟结果与实验结果类似.此外,模拟显示低橡胶颗粒占比样品内主要由玻璃颗粒构成主力链结构,而橡胶颗粒基本不参与强力链的构成.当橡胶颗粒占比较大时,玻璃颗粒和橡胶颗粒共同构成主力链网络结构,但颗粒间法向接触力分布相对更为均匀,可视为玻璃颗粒悬浮于橡胶颗粒中.基于上述结果,提出了改进的等效介质理论,用于描述混合颗粒体系的弹性行为.研究认为:橡胶颗粒占比较小时内部颗粒的变形相对均匀,材料近似满足等应变假设,视为并联弹簧模型;橡胶颗粒占比较大时混合材料近似满足等应力假设,视为串联弹簧模型.两种模型得到的结果与模拟结果一致.上述结果有利于从微观角度揭示混合颗粒材料弹性行为的变化机制.     

二维颗粒气体在堆积过程中的能量耗散

通过高速摄像的方法观测了玻璃颗粒组成的准二维气态颗粒流的冷凝耗散过程，并和理想情况下的均匀耗散的颗粒流体理论作了比较，实验发现气态颗粒部分在耗散堆积过程中近似地满足高斯分布；从动能的结果来看，实际耗散过程和流体理论所预测的不同.实验发现冷凝分为两个阶段：当动能的贡献以气体颗粒为主时，发现颗粒以恒定的速度堆积，动能耗散主要由其中以气态分布的颗粒的沉积速率α，颗粒温度T和气态部分的平动速度ν_g决定；当气态颗粒数目趋向于0，能量耗散主要来自于密堆颗粒的表面层部分 关键词： 离散体系 耗散性     

论地震发生机制

地震发生的物理机理和过程是还没有认识清楚的问题. 此前人们将浅源地震归因于弹性回跳,根据这一观点和岩石实验结果计算得到的地震能量与实际观测结果有很大矛盾,被称之为“热流佯谬”. 中源和深源地震发生在地幔区域,其成因也没有合理的解释. 考虑到地壳和地幔是离散集合态物质体系及其慢动力学运动行为的基本特点,本文根据物理学原理,特别是近年凝聚态物理发展出来的相关新观念,并依据已有观测事实,从新的视角探究地震发生的物理机制. 1) 关于地壳岩石层中的应力分布:在不考虑构造力时,依据万物皆流的流变学原理,原始地壳岩石在自重压强长时间作用下,纵向和横向应力相同,没有差应力. 大地构造力推动岩块滞滑移动挤压断层泥,施加于其他岩块,逐渐传递和积累. 这种附加的横向构造力与原始岩石中应力叠加,形成地壳岩石层中的实时应力. 由于断层泥属于颗粒物质体系,具有与岩石不同的力学特征,其弹性模量比岩石小得多,且随压强而增大,导致构造作用力随深度非线性增大. 给出了地壳中构造应力分布及其变化规律. 2) 关于地壳岩石层强度:地壳岩石的自重会使岩石发生弹性–塑性转变. 通过对弹性–塑性转变深度的计算,并根据实际情况分析,给出了地壳岩石弹性、部分塑性和完全塑性三个区域的典型深度范围. 在部分塑性区,塑性体比例达到约10%以上时,发生塑性连通,这时岩石剪切强度由塑性特征决定. 塑性滑移的等效摩擦系数比脆性破裂小一个数量级以上,致使塑性滑移时岩石剪切强度比脆性破裂小得多. 同时,随深度增大,有多种因素使得岩石剪切屈服强度减小. 另一方面,地震是大范围岩石破坏,破坏必然沿薄弱路径发生. 因此,浅源地震岩石的实际破坏强度必定比通常观测到的岩石剪切强度值低. 给出了地壳岩石平均强度和实际破坏强度典型值随深度的分布规律. 3) 关于地震发生的条件和机制:地震发生必定产生体积膨胀,只有突破阻挡才可膨胀. 地震发生的条件是:大地构造力超过岩石破坏强度、断层边界摩擦力以及所受阻挡力之和. 因此,浅源地震是岩石突破阻挡发生的塑性滑移. 在此基础上提出了浅源地震发生的四种可能模式. 深源地震是冲破阻挡发生的大范围岩块流. 浅源地震和深源地震都是堵塞–解堵塞转变,是解堵塞后岩石层块滑移或流动造成的能量释放. 4) 关于地震能量和临震前兆信息:地震能量即为堵塞–解堵塞转变过程释放的动能. 以实例估算表明,地震岩石滑移动能与使岩块剪切破坏和克服周围摩擦阻力所需做的功相一致,不会出现热流佯谬. 同时指出,通过观测地震发生前构造力的积累过程、局域地区地质变迁以及岩石状态变化等所产生的效应,均可能获得有价值的地震前兆信息. 关键词： 地震发生机制 热流佯谬 地壳岩石应力和强度 堵塞–解堵塞转变     

快速响应“智能型”水凝胶

链接聚合物可以形成在生物医学上有应用前景的水凝胶,而水凝胶的性能似乎与聚合物组成分子的排列密切相关.水凝胶是一种三维聚合物链形成的网状物.它在水中能膨胀,但不溶解.水凝胶的形成是一种有趣的现象.它有一天可能成为新的生物物质或药品递送系统设计、合成和自组装的补充工具.Wichterle和Lim 在1960年合成了第一个有乙烯-二甲基丙烯酸盐的2-羌乙基-异丁烯酸盐,它是一种在医学上有应用前景的生物共聚物.这种水凝胶是最初的软性隐型眼镜的材料.它们的生物兼容性在临床上已得到证明.软性隐型眼镜的成功激起了对水凝胶的巨大兴趣,并引起“…     

颗粒气体团簇行为实验研究

颗粒体系由于非弹性碰撞和摩擦等内秉的能量耗散特性,由宏观粒子形成的颗粒气体体系经常会有局部凝聚现象,这是颗粒气体体系与分子气体体系的最大区别之一.理解和预测这一现象的发生将有助于人们对远离平衡态体系的复杂现象,如有序结构、斑图和团簇形成的认知.这种局部凝聚现象可以类比于分子气体中亚稳分解形成的液滴,将气液相分离用于解释和寻求局部凝聚现象的此模型得到了分子动力学模拟的校验.但是实验的校验却由于宏观粒子运动受重力作用的影响难以在实验室中实现.作为实践十号卫星的前期实验,本文利用国家微重力实验室落塔装置,以水平激振装有不同尺寸和数目的颗粒样品,在短时微重力条件下,成功观察到颗粒气体团簇的形成;并将实验结果与颗粒气体类范德瓦耳斯气体分子相分离模型对比,由形成团簇样品的颗粒数密度条件,来实验确定了所选颗粒的恢复系数,得到直径为0.5 mm的钛珠颗粒的恢复系数在0.6—0.8之间,直径为1 mm的钛珠颗粒的恢复系数约为0.8,直径为2.5 mm的钛珠颗粒的恢复系数应大于0.8.     

颗粒速度在颗粒流稀疏流-密集流转变中的作用

用实验和计算模拟的方法研究了颗粒流中的颗粒速度与颗粒流特性的关系.实验研究发现当入口流量固定时，在出口上方高速运动的颗粒会使颗粒流由稀疏流向密集流转变的临界出口尺寸变小.当颗粒流转变为密集流后，颗粒速度的作用被出口上方的颗粒堆积区所消耗，最终变得与颗粒速度无关.二维分子动力学模拟计算得到了与实验相同的结论.通过二维分子动力学模拟计算，还给出了不同颗粒速度下体系的密度和速率在空间的分布图.这些分布图显示随着颗粒到达出口上方的瞬间速度的不同，颗粒堆积区的密度和高度均会改变，并最终导致颗粒流流动状态的改变. 关键词： 颗粒流 颗粒气体 分子动力学模拟     

颗粒介质的离散态特性研究

回顾了颗粒介质中应力的分布和传播模式以及物体在颗粒介质中运动所受阻力的研究进展，并报道了我们对颗粒体系中代表离散特性的颗粒尺寸效应对颗粒介质特性影响的研究.研究发现物体由于自身重量在颗粒介质中下沉的深度随着颗粒尺寸的增大单调减小；球体在下陷过程中受到的颗粒床的支撑力，除了在约1 mm范围的表面作用区域以外，与下陷深度之间满足很好的幂率关系，幂值在1.5—1.0之间，并且此幂值随着颗粒尺寸的增大而单调减小.颗粒床的支撑力与下陷深度的幂率关系可解释为颗粒介质内部应力结构重组的宏观反应结果. 关键词： 颗粒物质 离散介质力学     

Directed segregation in compartmentalized bi-disperse granular gas

A bi-disperse granular gas in an asymmetrical two-compartment system is studied experimentally.The presence of asymmetry within the range of our experimental parameters results in a directed segregated state and a directed clustering state.This deterministic system does not depend on the initial conditions.A modified flux model based on Lohse’s flux model for bi-disperse granular gases is derived.The modified flux model explains qualitatively the experimental results.