Estudio de las Fluctuaciones de Densidad y Orden en Medio Granulares

Esta tesis se dedica al estudio experimental de fluctuaciones de densidad, orden o energía cinética en sistemas granulares de partículas esféricas confinadas en una caja poco profunda de geometría cuasi-bidimensional. El sistema es forzado mediante vibraciones sinusoidales ortogonales al plano de la caja contenedora. En particular nos enfocamos en dos sistemas: en el primero se estudian las fluctuaciones de densidad y orden en la vecindad de una coexistencia de fases tipo sólido-líquido; en el segundo se estudian las fluctuaciones de densidad y de energía en un sistema bidisperso de masa que se encuentra segregado. En el primer capítulo, se describen los medios granulares como medios complejos (que varían de comportamiento según sea el contexto físico), como materiales macroscópicos y disipativos, cuyas interacciones naturales son dadas mediante colisiones. Se hace una introducción a los fenómenos específicos que se estudiaron y se comentan trabajos anteriores que contextualizan las fenomenologías estudiadas. El primer caso, corresponde a un montaje cuasi-unidimensional que contiene partículas de acero inoxidable de 1 [mm] de diámetro y de altura un poco menor que dos veces el diámetro de las partículas. En el sistema la longitud horizontal es mucho mayor que la altura de la celda, y su ancho es solo seis veces mayor que el diámetro de la partículas. En un segundo caso se estudia un sistema cuasi-bidimensional compuesto por partículas de acero inoxidable y partículas de poliamida de 3 [mm] de diámetro. La caja que confina los granos tiene medidas tales que las longitudes horizontales son prácticamente iguales y la altura nuevamente no supera los dos diámetros de partícula. En este capítulo se explican también los métodos de adquisición de imágenes y de la aceleración. Además se detalla el proceso de análisis de imágenes para medir la posición y velocidad de las partículas. En un tercer capítulo se definen y analizan brevemente las cantidades físicas observables en que nos enfocamos para realizar este trabajo. En general son definidos como función del espacio y del tiempo, así como de la posición y velocidad de las partículas. Se diferencia también las medidas según la escala espacial de observación; escala microscópica, mesoscópica y macroscópica. En el cuarto capítulo se presentan los principales resultados obtenidos de la investigación realizada. Respecto al problema de la transición de fases tipo sólido-líquido se concluyó que ésta tiene un comportamiento análogo a una transición de primer orden, que es mediada por el crecimiento en intensidad y tamaño de las fluctuaciones de densidad y de orden, donde además se pudo medir la meta-estabilidad del sistema. Respecto al problema de explosiones granulares que se dan en un medio bidisperso de masa que se encuentra segregado y sincronizado con el forzamiento, se observó el fenómeno con dos regímenes de explosiones; uno caracterizado por pequeñas fluctuaciones de densidad y energía en un medio poco segregado, que además es poco regular en el tiempo, y otro régimen que se da en un medio segregado que es más regular en intensidad y tiempo. Se caracterizó la relación entre la dinámica de cada partícula que permanece en un punto fijo rebotando sólo con velocidad perpendicular al comportamiento colectivo de desincronización en cadena de las partículas, donde las partículas adquieren velocidad horizontal, se desincronizan respecto al forzamiento y se pierde parcialmente la segregación. En el quinto capítulo se presentan las conclusiones de la tesis y algunas propuestas de trabajo futuro, temas que quedan pendientes a realizar y que sigan la línea de investigación. Finalmente, en los apéndices se presenta una breve descripción (i) la medida de altura de las celdas, (ii) los diagramas de Voronoi, (iii) técnica de medida a escala mesoscópica, (iv) el método de nivelación del montaje y (v) un artículo publicado referente a las explosiones granulares.