巴西果效應

巴西果效應(Brazil nut effect)是指如果把兩種顆粒的混合物置於容器中，然後施加外加的振盪，體積比較大的顆粒會上升到表層，而較小的顆粒會沉降到底部。關於這種古老的效應的動力學機制至今仍眾說紛紜。

基本介紹

• 中文名：巴西果效應
• 含義：兩種顆粒的混合物置於容器中
• 得名於：穆茲利
• 時間：1998年

名字的由來

巴西果效應得名於歐洲的一種早餐穆茲利，穆茲利是用乾水果和燕麥混合製成的。在食用時，最先從這種食品里倒出來的一定是個頭最大的巴西果。

1998年又發現了與之相反的反巴西果效應，即體積大的顆粒下沉而體積小的顆粒上升。

巴西果效應和反巴西果效應已經成為顆粒物理學中一類非常熱門的話題。這類現象的一個現實重要性在於，在很多工業活動中（如製藥，運輸等行業）顆粒混合和分離總是要考慮的問題。

實驗操作

該現象是目前未獲得明確解釋的日常現象之一，工業價值非常大。實驗可操作性強，材料易獲得，數據分離性好。

1、給出兩種顆粒的顆粒大小及形狀、表面光滑情況，測量兩種顆粒的視密度（用量杯直接測體積）、實密度（用排水法測體積）。

2、可以嘗試在不同液體裡實驗。

3、有條件的可以嘗試一下在密封條件下實驗，改變內部氣壓。

研究成果

2013年的研究發現，大堅果在地球上上升到表面的速度會比在火星和月球上更加迅速。

實驗圖片

巴西果效應一直都在地球上進行研究，但是德國布倫瑞克工業大學的卡斯滕-古特勒和他的同事們渴望了解天體表面減少的重力對這一現象會產生怎樣的影響，比如說月球和火星。月球的重力大約只有地球表面的16.7%，而火星的重力大約只有地球的38%。為了對此進行測試，他們在一架A300空中巴士上進行了試驗，飛機以拋物線的方式飛行來模擬重力減少的條件。

事實上，他們並未使用堅果，他們使用玻璃珠容器來替代。其中的一些玻璃珠直徑為1毫米，而其它的直徑則為8毫米。一旦達到要求的重力條件，這個透明的容器就會被搖動，而且玻璃珠的運動被一台攝影機記錄下來。較大的玻璃珠被放置在容器的底部，而且它們上升到表面所花費的時間被記錄了下來。

這些結果是相當具有可預見性的，研究表明：重力越大巴西果效應就會越明顯，重力越大就會導致較大玻璃珠越快的上升到表面。那就是說，大堅果在地球上上升到表面的速度會比在火星和月球上更加迅速。這些結果對於小行星採礦者來可能是非常重要的，對他們來說了解低重力條件下顆粒介質如何運動是非常重要的。

實驗研究

顆粒物質是以離散態形式存在的物質形態，是一種複雜體系，其運動規律與一般固體和液體很不相同，近年來引起物理學界的廣泛關注。對於一個大小顆粒混合的系統，當受到外界擾動(如振動，搖動等)時，會發生大小顆粒的分離，一般是大顆粒運動到上層，小顆粒運動到下層，這就是所謂的“巴西果效應”(Brazil nut effect)。這在自然界和生產中普遍存在，是一個人們所熟知的現象。但是長久以來人們對其形成機理並不十分清楚。

美國的一個研究小組發現，在某些情況下，垂直振動也會導致大顆粒運動到下層，小顆粒運動到上層，產生所謂“反巴西果效應”。對這一新現象，美國芝加哥大學的研究小組在《Nature》上發表了不同的研究結果。他們未觀察到“反巴西果”現象，但是隨氣壓的變化，導致了大顆粒上升的速度發生改變。

中科院物理所陸坤權研究員的小組，通過不同密度大球在不同尺寸顆粒床中振動的實驗，系統研究了大球上升和下降的規律。發現當大球和顆粒密度比大於某臨界值時，則大球上升(巴西果效應)，且上升速度隨密度比增大呈冪次方變快。而當密度比小於此臨界值時，則大球下降(反巴西果效應)，下降速度隨密度比減小呈冪次方變快。更重要的是，發現氣體在“反巴西果”的形成中起關鍵作用。在振動狀態下形成“反巴西果”的顆粒床中，測量得負的氣壓，正是這個負壓驅動了密度小的大顆粒向下運動，形成了“反巴西果”現象。在相同條件下，抽空的系統中則觀察不到“反巴西果”現象。而在一定振動頻率和加速度下是否產生負壓又與床顆粒的大小及密度有關。

這項研究得到了國家重點基礎研究項目及國家自然科學基金的資助。研究成果發表於2003年7月4日的Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 014302。