Pseudo-two-dimensional dynamics in a system of macroscopic rolling spheres

Abstract

Estudiamos en este trabajo la dinámica de una colección de esferas huecas idénticas (pelotas de ping-pong) que descansan sobre una rejilla metálica horizontal. La fluidización se consigue mediante una corriente de aire turbulenta que viene desde abajo. El flujo ascendente se ajusta para que las partículas no leviten sobre la rejilla, lo que da como resultado una dinámica cuasi-bidimensional. Mostramos que el comportamiento de la difusión y las correlaciones en este sistema es particularmente rico. Cabe destacar también (y en relación con el complejo comportamiento dinámico) que aparecen una variedad de fases, con importantes particularidades. con respecto a configuraciones análogas. Observamos fases gaseosas, líquidas, vítreas y de cristales hexagonales. En particular, mostramos que la fusión del cristal hexagonal se produce en coexistencia con una fase líquida. Esto difiere notablemente de la transición correspondiente en sistemas puramente bidimensionales de discos fluidizados con aire, para los cuales no se ha informado de ninguna coexistencia de fases en la bibliografía.

We study in this work the dynamics of a collection of identical hollow spheres (ping-pong balls) that rest on a horizontal metallic grid. Fluidization is achieved by means of a turbulent air current coming from below. The upflow is adjusted so that the particles do not levitate over the grid, resulting in quasi-two-dimensional dynamics. We show that the behavior of diffusion and correlations in this system is particularly rich. Noticeably as well (and related to the complex dynamical behavior), a variety of phases appear, with important peculiarities with respect to analogous setups. We observe gas, liquid, glass, and hexagonal crystal phases. Most notably, we show that the melting of the hexagonal crystal occurs in coexistence with a liquid phase. This strikingly differs from the corresponding transition in a purely two-dimensional systems of air-fluidized disks, for which no phase coexistence has been reported in the literature.