The dynamics of thin vibrated granular layers

Abstract

Se describe una serie de experimentos y simulaciones por ordenador en medios granulares vibrados en una geometría elegida para eliminar la sedimentación gravitacional inducida. El sistema consta de una colección de partículas esféricas idénticas en una placa horizontal que vibra verticalmente, con o sin una tapa de confinamiento. Previamente, los resultados referenciados son revisados, incluyendo la observación de los estados-líquidos como homogéneos, desordenados, una inestabilidad a un "colapso" de las esferas inmóviles en una red hexagonal perfecta, y un fluctuante estado hexagonal ordenado. En presencia de una tapa de confinamiento vemos una variedad de fases sólidas a altas densidades y amplitudes de vibración relativamente altos, varios de los cuales se informa por primera vez en este artículo. El comportamiento de fase del sistema está estrechamente relacionado con la observación en confinados suspensiones coloidales de esferas duras en equilibrio, pero con modificaciones debidas a los efectos de la fuerza y su disipación. También revisamos las mediciones de distribuciones de velocidad, que van de Maxwell a fuertemente no Maxwell en función de los valores de los parámetros experimentales. Se describen mediciones de correlaciones espaciales de velocidad que muestran una clara dependencia sobre el mecanismo de inyección de energía. Nos informan también nuevas medidas de la función de auto-correlación de velocidad en la capa granular y muestran que el aumento inelasticidad conduce a una mayor auto-difusión de partículas.

We describe a series of experiments and computer simulations on vibrated granular media in a geometry chosen to eliminate gravitationally induced settling. The system consists of a collection of identical spherical particles on a horizontal plate vibrating vertically, with or without a confining lid. Previously reported results are reviewed, including the observation of homogeneous, disordered liquid-like states, an instability to a ‘collapse’ of motionless spheres on a perfect hexagonal lattice, and a fluctuating, hexagonally ordered state. In the presence of a confining lid we see a variety of solid phases at high densities and relatively high vibration amplitudes, several of which are reported for the first time in this article. The phase behavior of the system is closely related to that observed in confined hard-sphere colloidal suspensions in equilibrium, but with modifications due to the effects of the forcing and dissipation. We also review measurements of velocity distributions, which range from Maxwellian to strongly non-Maxwellian depending on the experimental parameter values. We describe measurements of spatial velocity correlations that show a clear dependence on the mechanism of energy injection. We also report new measurements of the velocity autocorrelation function in the granular layer and show that increased inelasticity leads to enhanced particle self-diffusion.