مواد دانه‌ای کیست؟ توضیح بده.
مواد دانه‌ای یا مواد گرانولی (به انگلیسی: Granular Matter) به مجموعه‌ای از ذرات جامد و کلان‌مقیاس گفته می‌شود که به دلیل تعاملات بین ذرات، انرژی خود را از دست می‌دهند. یکی از مثال‌های رایج در این زمینه اصطکاکی است که هنگام برخورد ذرات ایجاد می‌شود. ذرات تشکیل‌دهنده مواد گرانولی به اندازه‌ای بزرگ هستند که تحت تأثیر نوسانات حرارتی قرار نمی‌گیرند. به‌طور کلی، حد پایین اندازه ذرات در مواد گرانولی حدود ۱ میکرون است. در حالی که در حد بالای اندازه، فیزیک مواد گرانولی می‌تواند به یخ‌های شناور در دریاها یا کمربند سیارکی در منظومه شمسی که در آن هر ذره یک سیارک است، تعمیم یابد.از جمله مثال‌های رایج مواد گرانولی می‌توان به برف، آجیل، زغال‌سنگ، شن، برنج، قهوه، غلات صبحانه، نمک و توپ‌های بلبرینگ اشاره کرد. تحقیقات در زمینه مواد گرانولی به‌طور مستقیم قابل کاربرد است و تاریخچه‌ای طولانی دارد که به کارهای شارل-اوگستین دو کلم مربوط می‌شود؛ کسی که قانون اصطکاک را برای اولین بار برای مواد گرانولی بیان کرد. این مواد در صنایع مختلفی مانند داروسازی، کشاورزی و تولید انرژی اهمیت تجاری زیادی دارند.پودرها به عنوان یک کلاس خاص از مواد گرانولی شناخته می‌شوند که به دلیل اندازه کوچک ذرات خود، چسبندگی بیشتری دارند و به راحتی در یک گاز معلق می‌شوند.سرهنگ رالف آلجر باگنولد، یک فیزیکدان و نظامی، یکی از پیشگامان فیزیک مواد گرانولی بود و کتاب او با عنوان "فیزیک شن‌های بادی و تپه‌های شنی بیابانی" هنوز هم به عنوان مرجع مهمی شناخته می‌شود. به گفتهٔ دانشمند مواد، پاتریک ریچارد، "مواد گرانولی در طبیعت فراوان هستند و دومین ماده‌ای هستند که در صنعت بیشترین دستکاری را دارند.به نوعی، مواد گرانولی یک فاز واحد از ماده را تشکیل نمی‌دهند، بلکه بسته به انرژی متوسط هر ذره، ویژگی‌هایی شبیه به جامدات، مایعات یا گازها از خود نشان می‌دهند. با این حال، در هر یک از این حالات، مواد گرانولی همچنین ویژگی‌هایی منحصر به فرد دارند.این مواد همچنین رفتارهای متنوعی در الگوهای شکل‌گیری هنگامی که تحریک می‌شوند (به عنوان مثال، در اثر لرزش یا جریان) از خود نشان می‌دهند؛ بنابراین، مواد گرانولی تحت تحریک را می‌توان به عنوان نمونه‌ای از یک سیستم پیچیده در نظر گرفت. آن‌ها همچنین ناپایداری‌ها و پدیده‌های مبتنی بر سیال مانند اثر مگنوس را نمایش می‌دهند.تعاریف.مواد دانه‌ای به سیستمی اطلاق می‌شود که از تعداد زیادی ذرات ماکروسکوپی تشکیل شده است. در حالی که ذرات میکروسکوپی (اتم‌ها و مولکول‌ها) در مکانیک کلاسیک با تمام درجات آزادی (DOF) سیستم توصیف می‌شوند، ذرات ماکروسکوپی تنها با درجات آزادی حرکتی هر ذره به عنوان یک جسم صلب توصیف می‌شوند. در هر ذره، تعداد زیادی از درجات آزادی داخلی وجود دارد.در نظر بگیرید که دو ذره ماکروسکوپی با هم برخورد می‌کنند. در این نوع برخورد، انرژی ناشی از حرکت ذرات به درجات آزادی داخلی میکروسکوپی منتقل می‌شود. این فرایند به نام اتلاف انرژی (Dissipation) شناخته می‌شود و منجر به تولید گرمای غیرقابل برگشت (Irreversible Heat Generation) می‌گردد. نتیجه این پدیده این است که بدون تحریک خارجی، در نهایت تمام ذرات متوقف خواهند شد. در مواد ماکروسکوپی، نوسانات حرارتی معمولاً بی‌اهمیت هستند و تأثیر قابل توجهی بر رفتار کلی سیستم ندارند.۱. گاز دانه‌ای (Granular Gas):۲. جامد دانه‌ای (Granular Solid):۳. مایع دانه‌ای (Granular Liquid):رفتارهای ایستا.قانون اصطکاک کولن.کولن (Coulomb) نیروهای داخلی بین ذرات گرانولی را به عنوان یک فرایند اصطکاکی در نظر گرفت و قانون اصطکاک را پیشنهاد کرد که طبق آن، نیروی اصطکاک ذرات جامد متناسب با فشار نرمال بین آن‌هاست و ضریب اصطکاک استاتیک بزرگ‌تر از ضریب اصطکاک جنبشی است. او به مطالعه فروپاشی توده‌های شن پرداخت و به‌طور تجربی دو زاویه بحرانی را شناسایی کرد: زاویه حداکثر پایدار formula_1 و زاویه حداقل formula_2.زمانی که شیب توده شن به زاویه حداکثر پایدار برسد، ذرات شن در سطح توده شروع به سقوط می‌کنند. این فرایند زمانی متوقف می‌شود که زاویه شیب سطح برابر با زاویه آرامش شود. تفاوت بین این دو زاویه، formula_3، به عنوان زاویه باگنولد (Bagnold angle) شناخته می‌شود که معیاری از هیسترزیس مواد گرانولی است. این پدیده به دلیل وجود زنجیره‌های نیرو (force chains) است: تنش در یک جامد گرانولی به‌طور یکنواخت توزیع نمی‌شود، بلکه از طریق زنجیره‌های نیرو که شبکه‌هایی از ذرات بر روی یکدیگر هستند، منتقل می‌شود. بین این زنجیره‌ها مناطق با تنش پایین وجود دارد که ذرات آن‌ها به دلیل قوس و قوس‌سازی از تأثیرات ذرات بالایی محافظت می‌شوند. زمانی که تنش برشی به مقدار مشخصی برسد، زنجیره‌های نیرو ممکن است شکسته شوند و ذرات در انتهای زنجیره‌ها در سطح شروع به لغزش کنند. سپس زنجیره‌های جدیدی شکل می‌گیرند تا زمانی که تنش برشی کمتر از مقدار بحرانی شود و بدین ترتیب توده شن زاویه آرامش ثابتی را حفظ می‌کند.گازهای گرانولی.اگر مواد دانه‌ای به شدت تحریک شوند به طوری که تماس‌ها بین دانه‌ها به شدت نادر شود، این مواد وارد حالت گازی می‌شوند. به‌طور متناسب، می‌توان دمای دانه‌ای را تعریف کرد که برابر با میانگین مجذور تغییرات سرعت دانه‌ها است و مشابه دمای ترمودینامیکی عمل می‌کند. برخلاف گازهای معمولی، مواد دانه‌ای تمایل دارند که به دلیل طبیعت اتلافی برخوردها بین دانه‌ها، به صورت خوشه‌ای و توده‌ای تجمع یابند. این خوشه‌بندی عواقب جالبی دارد.به عنوان مثال، اگر یک جعبه نیمه‌تفکیک‌شده از مواد دانه‌ای به شدت تکان داده شود، دانه‌ها با گذشت زمان تمایل دارند که در یکی از بخش‌ها جمع شوند، به جای اینکه به‌طور یکنواخت در هر دو بخش پخش شوند، همان‌طور که در یک گاز معمولی اتفاق می‌افتد. این پدیده که به آن شیطان ماکسول دانه‌ای (Granular Maxwell's Demon) گفته می‌شود، هیچ‌گونه اصول ترمودینامیکی را نقض نمی‌کند زیرا انرژی به‌طور مداوم در این فرایند از سیستم اتلاف می‌شود.شیطانک ماکسول در اصل یک مفهوم نظری است که توسط فیزیکدان معروف جیمز کلرک ماکسول در قرن نوزدهم مطرح شد. او فرض کرد که می‌توان با استفاده از یک موجود هوشمند (شیطان)، مولکول‌های گاز را به دو دسته تقسیم کرد: مولکول‌های سریع و مولکول‌های کند. این موجود می‌تواند با کنترل درب بین دو محفظه، انرژی را از یک محفظه به محفظه دیگر منتقل کند و در نتیجه دما را کاهش دهد بدون اینکه کار انجام دهد.در مورد مواد دانه‌ای، این پدیده نشان‌دهندهٔ رفتار غیرمعمولی است که در سیستم‌های دانه‌ای تحت تحریک شدید مشاهده می‌شود. در این حالت، دانه‌ها به دلیل برخوردهای غیرالاستیک و اتلاف انرژی ناشی از اصطکاک، تمایل دارند که در نواحی خاصی جمع شوند و این تجمع بر خلاف رفتار گازهای معمولی است که به‌طور یکنواخت در فضا پخش می‌شوند.این نوع رفتار در مواد دانه‌ای می‌تواند تأثیرات عمیقی بر روی صنایع مختلف داشته باشد. برای مثال:شکل‌گیری الگو.مواد دانه‌ای برانگیخته (Excited Granular Matter) یک سیستم غنی از نظر شکل‌گیری الگو هستند و رفتارهای متنوعی در این مواد مشاهده می‌شود. برخی از این رفتارهای الگو-شکلی عبارتند از:برخی از رفتارهای الگو-شکلی قابل بازتولید در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری هستند. دو رویکرد اصلی برای این شبیه‌سازی‌ها وجود دارد: رویکرد زمان‌گام (time-stepped) و رویکرد مبتنی بر رویداد (event-driven). رویکرد اول برای چگالی بالای مواد و حرکات با شدت پایین کارآمدتر است، در حالی که رویکرد دوم برای چگالی پایین مواد و حرکات با شدت بالا مناسب‌تر است. این شبیه‌سازی‌ها به محققان کمک می‌کند تا رفتارهای پیچیده سیستم‌های دانه‌ای را بهتر درک کنند و بتوانند پیش‌بینی‌هایی دربارهٔ رفتار آنها در شرایط مختلف انجام دهند.در نهایت، مطالعه مواد دانه‌ای برانگیخته نه تنها به ما کمک می‌کند تا رفتارهای فیزیکی این سیستم‌ها را درک کنیم، بلکه می‌تواند کاربردهای عملی نیز داشته باشد، از جمله در صنعت ساخت و ساز، مهندسی ژئوتکنیک و حتی علوم زمین‌شناسی.منابع.1. https://www.openaccessrepository.it/record/1385492. https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics/article/abs/origin-of-the-longranged-attraction-or-repulsion-between-intruders-in-a-confined-granular-medium/D9FE5D5445D8C1B87BDCDD781022FE533. https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevE.99.0129024. https://authors.library.caltech.edu/77130/4/bdc7eca0b0d59f71cccedfa9c809632059955b6cd6e2af8f9db0b87070dfcc64.pdf5. Duran, J. , "Sands, Powders, and Grains: An Introduction to the Physics of Granular Materials" (translated by A. Reisinger). November 1999, Springer-Verlag New York, Inc. , New York, ISBN 0-387-98656-1.