Экспериментальная установка и превышение напряжений возникновения гранулированных потоков. 
(А) Мы используем реометр, чтобы вращать цилиндрическую трубку, опирающуюся на зернистый слой, вокруг ее оси симметрии. На вставке показано изображение микросфер, полученное оптическим профилометром Keyence. 
(B) Гранулированный материал начинается со случайной конфигурации покоя (вставка слева внизу). Применение постоянной скорости сдвига приводит к тому, что он начинает течь. После широкого непрерывного выброса напряжения он достигает устойчивого состояния с выровненной конфигурацией (вставка вверху справа).
Фото: Достижения науки (2024 г.). DOI: 10.1126/sciadv.adi7302

Землетрясения и оползни, как известно, трудно предсказать и подготовиться к ним. Изучая миниатюрную версию земли в лаборатории, ученые из Института физики УВА продемонстрировали, как эти события могут быть вызваны небольшой внешней ударной волной. Возьмите с собой плавучее устройство: оно позволяет земле на короткое время превратиться в жидкость.

В отличие от настоящего твердого тела, земля, на которой мы стоим, обычно состоит из гранул, таких как песчинки или куски камня. Глубже в земной коре то же самое справедливо и для линий разломов, где встречаются две тектонические плиты. Эти типы неупорядоченных гранулированных материалов никогда не бывают полностью стабильными. И когда они выходят из строя, это может иметь катастрофические последствия для нас, живущих на поверхности Земли.

Проблема в том, что нелегко предсказать или проконтролировать, когда именно сил трения, противодействующих оползню или землетрясению, перестанет хватать, чтобы удерживать землю на месте. К счастью, физика работает точно так же и в небольших системах, которые вы можете изучать в лаборатории. Чтобы воспроизвести землетрясение, физики Касра Фарайн и Дэниел Бонн из Амстердамского университета использовали слой крошечных сфер толщиной 1 мм, каждая из которых имеет ширину человеческого волоса.

Их экспериментальная установка позволила им точно отслеживать реакцию гранул на внешние силы. Чтобы смоделировать силы, которые будут присутствовать на крутом склоне горы или при тектоническом разломе, они прижимали диск к поверхности и медленно вращали его с постоянной скоростью. После этого подбросив мяч рядом с экспериментальной установкой, вызвав небольшую сейсмическую волну, они увидели, как все гранулы быстро сместились в ответ: они вызвали миниатюрное землетрясение.

«Мы обнаружили, что очень небольшое возмущение, небольшая сейсмическая волна, способна вызвать полную реструктуризацию зернистого материала», — объясняет Фарейн. Дальнейшее исследование показало, что на короткое время гранулы ведут себя как жидкость, а не как твердое вещество. После того как пусковая волна прошла, трение снова берет верх, и гранулы снова застревают в новой конфигурации.

То же самое происходит и в реальных сейсмических событиях. «Землетрясения и тектонические явления подчиняются законам, инвариантным к масштабу, поэтому результаты нашей лабораторной установки трения актуальны для понимания удаленных землетрясений, вызванных сейсмическими волнами в гораздо более масштабных разломах земной коры», — говорит Фарейн.

В своей статье, опубликованной в журнале Science Advances, исследователи показывают, что математическая модель, которую они вывели из своих экспериментов, количественно объясняет, как землетрясение Ландерс в Южной Калифорнии в 1992 году удаленно спровоцировало второе сейсмическое событие в 415 км к северу. Кроме того, они показывают, что их модель точно описывает повышение давления жидкости, наблюдаемое в зоне субдукции Нанкай недалеко от Японии после серии небольших землетрясений в 2003 году.

Вдохновленный шатким столом

Интересно, что весь этот исследовательский проект мог бы и не увенчаться успехом, если бы не коллеги Фарейна. «Изначально моя экспериментальная установка располагалась на обычном столе без всякой сложной виброизоляции, необходимой для точных измерений. Достаточно скоро я понял, что простые вещи, такие как проходящий мимо человек или закрытие двери, могут повлиять на эксперимент. Должно быть, я был немного беспокоит моих коллег, всегда требующих, чтобы шаги были тише или двери закрывались мягче».

Вдохновленный тем, как движения коллег нарушили его установку, Фарейн начал исследовать физику работы. «Через некоторое время я перешел на подходящий оптический стол для установки, и люди могли прыгать или делать все, что хотели, не мешая моей работе. Но, учитывая мою склонность к созданию проблем, на этом все не закончилось. Немного позже я вернулся в лабораторию с громкоговорителем, чтобы создать шум и увидеть эффекты контролируемых возмущений».