Contoh bahan butiran: bola plastik warna-warni di taman bermain, kerikil, biji wijen, dan lentil (searah jarum jam dari kiri atas). Kredit: Gambar masing-masing oleh Julia Kertesz, Martin Olsson, Jitender Kumar dan Zyance (sumber: Wikipedia).
Biji kopi dalam toples dan tumpukan beras atau pasir adalah contoh materi granular: bahan yang terdiri dari sejumlah besar partikel makroskopis—bukan skala atom—. Meskipun materi granular sangat familiar dalam kehidupan sehari-hari, namun hal ini mewakili batas tak terduga dalam fisika fundamental: Sangat sedikit yang dipahami tentangnya.
Dalam sebuah studi baru yang diterbitkan baru-baru ini di Jurnal Fisika Eropa EOnuttom Narayan dan Harsh Mathur, fisikawan teoretis di University of California di Santa Cruz dan Case Western Reserve University, menjelaskan perambatan suara melalui material granular, khususnya yang mendekati apa yang disebut “transisi gangguan”.
Signifikansi Praktis dan Relevansi Budaya
Memahami sifat-sifat materi granular penting untuk banyak aplikasi industri praktis. Hebatnya, masalah getaran akustik pada materi granular baru-baru ini menjadi bahan diskusi dalam budaya pop: Film yang baru dirilis Bukit pasir telah menimbulkan perdebatan tentang apakah suara dapat merambat melalui pasir. (Jawabannya: bisa).
Keanehan materi butiran dapat dilihat dengan merenungkan tumpukan nasi. Jika Anda mendorong setumpuk nasi dengan lembut, nasi tersebut tampak padat. Namun jika Anda mengambil nasi dan membiarkannya lolos dari tangan Anda, nasi itu akan mengalir seperti cairan. Jadi, tumpukan nasi tidak padat dan tidak cair. Ini adalah materi granular yang harus dipahami dengan istilahnya sendiri.
Memahami Transisi Jamming
Untuk memahami transisi kemacetan, bayangkan menuangkan biji kopi melalui corong dengan nosel sempit. Jika biji kopi dituang perlahan maka akan mengalir melalui nosel, namun jika banyak biji yang dituangkan ke dalam corong dengan cepat maka aliran akan macet. Transisi kemacetan terjadi ketika laju aliran meningkat: Material berpindah secara tiba-tiba dari keadaan mengalir ke keadaan macet.
Di laboratorium, peneliti biasanya mempelajari paket polistirena manik-manik yang lebih mudah untuk bereksperimen dibandingkan biji kopi. Ditemukan bahwa paket manik tersebut mengalami getaran akustik pada serangkaian frekuensi karakteristik. Kumpulan frekuensi karakteristik ini disebut spektrum paket manik. Spektrumnya bervariasi dari satu paket manik ke paket manik lainnya, jadi masalahnya adalah mengembangkan pemahaman statistik tentang jenis spektrum yang mungkin muncul.
Perkembangan Teoritis
Berdasarkan penelitian penting sebelumnya yang dilakukan oleh banyak peneliti, terutama Yaroslav Beltukov (Ioffe Institute di Rusia) dan Giorgio Parisi (Sapienza University of Rome), Narayan dan Mathur menunjukkan terdapat ciri-ciri statistik tertentu dari spektrum yang bersifat universal, sedangkan ciri-ciri lainnya tidak bersifat universal. universal. Dalam konteks ini, universal mengacu pada fitur-fitur yang dimiliki oleh frekuensi getaran sistem yang cukup kompleks; non-universal untuk fitur khusus pada materi granular macet.
Narayan dan Mathur menunjukkan bahwa ciri-ciri universal spektrum dijelaskan oleh teori matriks acak, suatu cabang matematika yang dikembangkan oleh fisikawan nuklir pada tahun 1950-an. Kemungkinan bahwa teori matriks acak dapat diterapkan pada getaran materi granular memiliki pendahuluan yang penting. Namun dalam karya baru ini, untuk pertama kalinya secara meyakinkan ditunjukkan bahwa spektrum dideskripsikan oleh teori matriks acak tertentu yang disebut ansambel Laguerre.
Narayan dan Mathur juga telah mengembangkan model getaran materi granular yang macet yang mampu menjelaskan beberapa fitur non-universal dari spektrum tersebut. Model ini sangat mirip dengan model yang dikembangkan oleh Narayan beberapa tahun lalu yang dimaksudkan untuk memecahkan teka-teki penting lainnya tentang materi granular: bagaimana tegangan didistribusikan dalam kumpulan manik-manik yang dikompresi.
Menemukan deskripsi terpadu tentang berbagai fenomena adalah tujuan utama fisika fundamental. Tujuan penting untuk penelitian di masa depan adalah menggabungkan dua model terkait ke dalam deskripsi terpadu mengenai distribusi tegangan dan spektrum getaran.
Materi granular adalah pengingat, kata Mathur dan Narayan, bahwa kita tidak hanya perlu melihat dunia subatom atau alam semesta dalam skala kosmologis untuk menemukan masalah mendasar yang belum terpecahkan: Masalah yang sama menantang dan signifikan dapat ditemukan di dunia sehari-hari di sekitar kita. kita.
Referensi: “Spektrum getaran pengepakan Granular dengan matriks acak” oleh Onuttom Narayan, dan Harsh Mathur, 12 Maret 2024, Jurnal Fisika Eropa E.
DOI: 10.1140/epje/s10189-024-00414-x
