0

10
0

文字

分享

0
10
0

裝滿的穀倉壓力有多大?靜摩擦力與楊森效應

linjunJR_96
・2020/08/20 ・2198字 ・閱讀時間約 4 分鐘
新聞畫面中倒塌的玉米筒倉(WKEF/WRGT)

總重一萬噸的玉米,灑落在美國俄亥俄洲的 571號公路。沒有人傷亡,不過被壓斷的電纜造成該地區斷電斷網,571號公路也被關閉了好幾天。這個意外發生在 2018 年一月,起因是一個倒塌的筒倉。

在美國和歐陸等溫帶地區,常見圓形的筒倉可以用來儲存各種穀物。在玉米與小麥的進出口業發達的國家,筒倉內的穀物噸數動輒上萬,一旦坍塌,造成的破壞十分可觀。(沒錯就是會造成道路封閉、斷電斷網的等級)因此,負責設計的工程師必須清楚知道,筒倉的側壁與底部能夠扛住多少壓力。

許多地區常見使用筒倉儲存玉米小麥等穀物。圖/piqsels

當穀倉裝滿,底部的壓力卻……

為此,德國的工程師楊森(H.A. Janssen) 特別設計了一個底部可活動的筒倉,並將底部連結至天平與砝碼(圖1)。

圖1 當年楊森的筒倉設計圖

利用如此簡單暴力的實驗裝置,楊森得到了出乎意料的結果:隨著他在筒倉中慢慢放入更多的穀物,底部的壓力成長卻逐漸趨緩,到最後幾乎變成平線(圖2)。當他放入的穀物總重來到 180 公斤,筒倉底部卻只承擔了 23 公斤的壓力!

圖 2 放入穀物重量對底部壓力的關係圖。隨著重量增加,底部壓力卻逐漸飽和,不再成長。

消失的重量究竟去了哪裡呢?我們預期底部壓力等於內容物重量,其實是因為,我們直覺地把細小的穀物當作滑順的流體。如果筒倉裡裝的是水,那麼底部壓力當然會等於水的重量。

不過像是穀物或沙子這類的細小顆粒,儘管集體行為與液體很類似,個別顆粒之間卻有著可觀的摩擦力。像是沙漏中落下的沙子,會在下方堆成一個小沙丘,而不是像液體一樣形成水平面,就是因為其受制於顆粒間的摩擦力,無法像水分子一樣自由流動。

摩擦力如何影響底部壓力?

如果要想像穀倉中的摩擦力如何作用有點困難,我們可以先想像一個極端的例子:兩顆體積跟摩擦力都很大的瑜珈球(圖3)。在畫面中原本就已經有一個藍球,而當靠近邊緣的瑜珈球(白球)落下,會被「嵌入」牆壁與藍球的間隔。

從白球的角度來看,白球會有兩個摩擦力的來源:與藍球接觸面的摩擦力與與牆壁的摩擦力。靜摩擦力的方向會「抵抗」移動的趨勢,所以當白球向下擠,牆壁與球之間便留下了一個向上的靜摩擦力。這股向上的力量分擔了白球的重量,於是筒子底部承擔的重量就少了一些。

圖 3 一個筒倉內原本裝了一顆藍色瑜珈球。後來放入的白球嵌入空隙中,受到兩個向上摩擦力(紅色的箭頭)。要注意球與球之間的摩擦力只會將重量轉嫁給藍球,只有牆壁提供的摩擦力有助於減少底部所受的總壓力。

同樣的,當我們在筒倉中添加穀物,倉壁內側的摩擦力會撐起一部分的重量。隨著筒倉內穀物越來越多,接觸到的倉壁面積增加,摩擦力能分擔的重量也越多。因此當筒倉內的穀物多到一個程度,新加入的穀物重量幾乎不會對底部造成負擔。

因此楊森的實驗中,最後才會達到飽和,底部壓力幾乎不再增加。這個現象後來被稱為「楊森效應(Janssen Effect))」

從穀物到雪崩,「顆粒物理」防守範圍超廣

我們剛剛看到的斑駁的設計圖和天秤的使用透漏了它的年紀,楊森的這份研究其實發表於兩世紀前的 1895 年。

雖然年代感有點重,不過這篇研究可是越陳越香,在 1977 年之前,它只被引用了 40 次。在最近三十年間,卻突然暴增了兩百多次引用。用簡單的實驗和理論,楊森開啟了新的領域,也就是近年蓬勃發展的顆粒物理。顆粒物理的防守範圍不只包含穀物和粉末等工業應用,也能分析沙丘與雪崩這類的地質現象。

就在今年三月,一份新的研究發表在物理評論快報 (Physical Review Letters)。該篇研究的作者發現在某些情況下,筒倉底部的重量竟然會大於內容物重量,被稱為「反楊森效應」!

新的實驗使用較大的顆粒,比起筒倉中的穀物,比較像是兒童球池。先前有提到,新加入的球會帶來向上的摩擦力;不過有另一種情況,會造成向下的摩擦力,導致底部的壓力不減反增(圖4)。在圖4 中,白色球落下時,將藍色球向外擠,間接將最左側的黃色球沿著牆壁向上推,造成向下的摩擦力。

圖 4 反楊森效應示意圖。

你可能有想到:這時候白色的球不是會受到向上的摩擦力嗎?的確如此。而底部受到的總壓力,便是數百顆球互相磨來磨去的效應總和。這時便慶幸我們手上有楊森所沒有的工具:電腦模擬。

圖 5 電腦模擬結果。有接觸牆壁的球依據所受磨擦力方向上色;向上為紅色,向下為藍色。 (M. P. Ciamarra/Nanyang Technological Univ.)

利用電腦模擬筒倉中填入圓球的情況可以發現,當填充到特定深度時,被牆壁向下壓的球(藍色)明顯多於被牆壁撐住的球(紅色)。這時筒倉底部便會承受大於預期的壓力,造成崩塌的風險。

不過這個現象一般只會出現在顆粒較大的系統。也就是說,如果你家附近有裝滿穀物的筒倉,應該不需要太擔心;不過如果裡面裝的是西瓜,那就不好說了。

參考資料

    1. Sperl, Matthias. (2005). Experiments on Corn Pressure in Silo Cells — Translation and Comment of Janssen’s Paper from 1895. Granular Matter. 8. 10.1007/s10035-005-0224-z.
    2. Mahajan S, Tennenbaum M, Pathak SN, et al. Reverse Janssen Effect in Narrow Granular Columns. Phys Rev Lett. 2020;124(12):128002. doi:10.1103/PhysRevLett.124.128002
    3. Seattle Times: Silo collapse spills 10,000 tons of corn onto Ohio road

文章難易度
linjunJR_96
21 篇文章 ・ 223 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

0

1
0

文字

分享

0
1
0

災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會部會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大,而這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

EASY天文地科小站_96
4 篇文章 ・ 7 位粉絲
EASY 是由一群熱愛地科的學生於2017年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策