顆粒物質是指粒徑在1微米以上的離散體系，又稱為顆粒介質。分子間作用力不再顯著並且在該尺度下不適用於布朗運動。
基本介紹
- 中文名：顆粒物質
- 外文名：granular material
- 別稱：顆粒介質
- 定義：指粒徑在1微米以上的離散體系
- 特徵：分子間作用力不再顯著
- 大小：d≥1um
主要類型,特徵,研究歷史,
主要類型
顆粒物質在自然界、日常生活及生產和技術中普遍存在，例如：自然界中沙石、土壤、浮冰、積雪等；日常生活中的糧食、糖、鹽等；生產和技術中的煤炭、礦石、建材以及不少藥品、化工品也為顆粒物質。很多其他離散態物質體系，例如散裝貨物輸送、地球板塊運動及公路上車輛的流動等也常作為顆粒體系來處理。可以說，顆粒物質是地球上存在最多、最為人們所熟悉的物質類型之一。
特徵
顆粒物質一般指由尺寸d≥1um；的顆粒組成的巨觀體系.當顆粒尺度小於1um時，熱運動即布朗運動會有重要影響。若顆粒尺度更小，微觀相互作用則起主要作用。因此，這些小尺度的顆粒的運動規律與巨觀顆粒不同。對於巨觀顆粒，經典力學可以給出單個顆粒運動狀態的精確解。 然而，大量顆粒組成的體系具有特別的性質和運動規律。顆粒物質靜止時類似於固體，流動時則類似於液體或氣體。向地板上撒一筒沙子，沙粒並不會像水那樣平鋪在地板上，處於勢能最小狀態，而是根據拋灑方式及過程的不同形成各種不同的堆積形態，即有許多亞穩態。若將支撐一個沙堆的地板慢慢傾斜，沙子會發生流動，然而這種流動只發生在沙堆的表面幾層。如果在沙堆上繼續添加沙粒或施加擾動，超過某一臨界狀態時，就會引起沙堆崩塌! 拿一塊石子扔向沙堆，石子不會像撞在固體表面那樣反彈，而是將其動能完全耗散在沙堆中。 向一個容器內填充顆粒，顆粒對容器底部施加的壓強先隨顆粒填充高度增加而變大。到一定高度後，壓強會趨於某一飽和值而不再增大，稱之為“糧倉效應”。
顆粒有成拱的特性，顆粒物質中的力通過不均勻力鏈傳遞，不像固體和液體中的應力會均勻分布。振動會引起不同大小和質量顆粒的分離，也可在顆粒體系表面形成各種斑圖。顆粒流動中的稀疏流、密集流和堵塞等行為不同於一般流體運動。
顆粒物質的狀態，有時很穩定，而在有些情況下，會因極小的作用而改變，如發生崩塌。所有這些表明，顆粒物質是不同於固體、液體和氣體的一種特殊的物質形態，它具有豐富的現象和不同於固、液、氣物質的獨特的運動規律。
顆粒物質中的相互作用不同於原子或分子之間的作用，顆粒之間作用主要是摩擦力以及碰撞，對其組成的單個顆粒本身的物理性質不敏感! 若用硬球來表示顆粒，任意堆積的顆粒結構呈無序狀態。
研究歷史
利用顆粒物質的特性及開展對顆粒物質的研究已有很長的歷史。顆粒物質的一些獨特性質早已為人們發現。沙漏作為計時器比水漏更簡便和準確，就是利用了沙粒從孔中流出的流速不像水流那樣隨壓強改變的特性。通過簸箕的顛、搖、晃把沙粒、穀皮等雜質從穀物中分離出來，則是利用外加振動實現顆粒分離的常見例子。這一現象的發現相當久遠，我國至少在南朝就有“簸之揚之，糠秕在前。洮之汰之，砂礫在後。 ”的說法了（ 出自《世說新語》，南朝.宋）。文藝復興之後的幾個世紀以來，不少著名科學家研究過顆粒物質。庫倫最早提出沙堆傾斜角度與摩擦係數關係，他的有關固體摩擦問題的表述現在還被反覆提及。 法拉第發現振動使顆粒形成對流而堆積起來。雷諾1885年指出，如果顆粒緊密堆積在一個彈性袋中，任何外加作用都會使顆粒所占體積增大，稱之為雷諾擠壓膨脹原理。1884年，英國科學家首先注意到前面提到的糧倉效應後，德國工程師janssen H在1895年提出一個模型來解釋糧倉效應，這一模型直到現在已被人們普遍接受.
儘管工業、工程及技術界一直以套用為目標對顆粒物質的生產、加工、輸送等進行了長時間的研究，但物理學家對其研究興趣的興起還是近十多年的事。顆粒物質不但廣泛存在，而且與工業技術和人們生活密切相關。全世界穀物及其他各種顆粒物的年產量數以百億噸計。 其中包括煤、礦石、水泥建材、砂子與碎石等低附加值材料，以及高附加值的食品、工業原料、藥品和化裝品等。這些物質的生產、運輸、加工及儲存，每年約消耗地球上10% 的能量。對顆粒物質的深入認識將會對全球工業與經濟的發展有極大助益。為防治土石流、雪崩、浮冰、滑坡、沙漠化、地震等自然災害，也必須了解顆粒物質的運動規律。公路交通流問題也與顆粒流規律密切相關。這些是顆粒物質本身的重要性。另一方面，顆粒物質具有不同於其他物質的許多奇特性質，其基本規律遠沒有被認識清楚。
近年來，雖然開展了關於顆粒物質的多方面的實驗和模擬計算，獲得了許多有意義的結果，但對其運動規律研究的認識還很膚淺，描述顆粒物質的基本理論尚未建立，有關顆粒物質的一些最基本問題還在困擾人們。
顆粒物質是一類複雜體系，研究顆粒物質，不僅有重要套用背景，對這類物質狀態運動規律的深入認識也將會促進物理學的新發展。
