颗粒物质

粒径在1微米以上的离散体系

颗粒物质是指粒径在1微米以上的离散体系，又称为颗粒介质。分子间作用力不再显著并且在该尺度下不适用于布朗运动。

主要类型

颗粒物质在自然界、日常生活及生产和技术中普遍存在，例如：自然界中沙石、土壤、浮冰、积雪等；日常生活中的粮食、糖、盐等；生产和技术中的煤炭、矿石、建材以及不少药品、化工品也为颗粒物质。很多其他离散态物质体系，例如散装货物输送、地球板块运动及公路上车辆的流动等也常作为颗粒体系来处理。可以说，颗粒物质是地球上存在最多、最为人们所熟悉的物质类型之一。

特征

颗粒物质一般指由尺寸d≥1um；的颗粒组成的宏观体系.当颗粒尺度小于1um时，热运动即布朗运动会有重要影响。若颗粒尺度更小，微观相互作用则起主要作用。因此，这些小尺度的颗粒的运动规律与宏观颗粒不同。对于宏观颗粒，经典力学可以给出单个颗粒运动状态的精确解。然而，大量颗粒组成的体系具有特别的性质和运动规律。颗粒物质静止时类似于固体，流动时则类似于液体或气体。向地板上撒一筒沙子，沙粒并不会像水那样平铺在地板上，处于势能最小状态，而是根据抛洒方式及过程的不同形成各种不同的堆积形态，即有许多亚稳态。若将支撑一个沙堆的地板慢慢倾斜，沙子会发生流动，然而这种流动只发生在沙堆的表面几层。如果在沙堆上继续添加沙粒或施加扰动，超过某一临界状态时，就会引起沙堆崩塌! 拿一块石子扔向沙堆，石子不会像撞在固体表面那样反弹，而是将其动能完全耗散在沙堆中。向一个容器内填充颗粒，颗粒对容器底部施加的压强先随颗粒填充高度增加而变大。到一定高度后，压强会趋于某一饱和值而不再增大，称之为“粮仓效应”。

颗粒有成拱的特性，颗粒物质中的力通过不均匀力链传递，不像固体和液体中的应力会均匀分布。振动会引起不同大小和质量颗粒的分离，也可在颗粒体系表面形成各种斑图。颗粒流动中的稀疏流、密集流和堵塞等行为不同于一般流体运动。

颗粒物质的状态，有时很稳定，而在有些情况下，会因极小的作用而改变，如发生崩塌。所有这些表明，颗粒物质是不同于固体、液体和气体的一种特殊的物质形态，它具有丰富的现象和不同于固、液、气物质的独特的运动规律。

颗粒物质中的相互作用不同于原子或分子之间的作用，颗粒之间作用主要是摩擦力以及碰撞，对其组成的单个颗粒本身的物理性质不敏感! 若用硬球来表示颗粒，任意堆积的颗粒结构呈无序状态。

研究历史

利用颗粒物质的特性及开展对颗粒物质的研究已有很长的历史。颗粒物质的一些独特性质早已为人们发现。沙漏作为计时器比水漏更简便和准确，就是利用了沙粒从孔中流出的流速不像水流那样随压强改变的特性。通过簸箕的颠、摇、晃把沙粒、谷皮等杂质从谷物中分离出来，则是利用外加振动实现颗粒分离的常见例子。这一现象的发现相当久远，我国至少在南朝就有“簸之扬之，糠秕在前。洮之汰之，砂砾在后。 ”的说法了（出自《世说新语》，南朝.宋）。文艺复兴之后的几个世纪以来，不少著名科学家研究过颗粒物质。库伦最早提出沙堆倾斜角度与摩擦系数关系，他的有关固体摩擦问题的表述还被反复提及。法拉第发现振动使颗粒形成对流而堆积起来。雷诺1885年指出，如果颗粒紧密堆积在一个弹性袋中，任何外加作用都会使颗粒所占体积增大，称之为雷诺挤压膨胀原理。1884年，英国科学家首先注意到前面提到的粮仓效应后，德国工程师janssen H在1895年提出一个模型来解释粮仓效应，这一模型已被人们普遍接受.

尽管工业、工程及技术界一直以应用为目标对颗粒物质的生产、加工、输送等进行了长时间的研究，但物理学家对其研究兴趣的兴起还是近十多年的事。颗粒物质不但广泛存在，而且与工业技术和人们生活密切相关。全世界谷物及其他各种颗粒物的年产量数以百亿吨计。其中包括煤、矿石、水泥建材、砂子与碎石等低附加值材料，以及高附加值的食品、工业原料、药品和化装品等。这些物质的生产、运输、加工及储存，每年约消耗地球上10% 的能量。对颗粒物质的深入认识将会对全球工业与经济的发展有极大助益。为防治泥石流、雪崩、浮冰、滑坡、沙漠化、地震等自然灾害，也必须了解颗粒物质的运动规律。公路交通流问题也与颗粒流规律密切相关。这些是颗粒物质本身的重要性。另一方面，颗粒物质具有不同于其他物质的许多奇特性质，其基本规律远没有被认识清楚。

近年来，虽然开展了关于颗粒物质的多方面的实验和模拟计算，获得了许多有意义的结果，但对其运动规律研究的认识还很肤浅，描述颗粒物质的基本理论尚未建立，有关颗粒物质的一些最基本问题还在困扰人们。

颗粒物质是一类复杂体系，研究颗粒物质，不仅有重要应用背景，对这类物质状态运动规律的深入认识也将会促进物理学的新发展。

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