Mergulhar um tubo em um recipiente cheio de água fará com que a água suba no tubo. Esse fenômeno é denominado capilaridade líquida. É responsável por muitos processos naturais e técnicos, por exemplo, a absorção de água das árvores, tinta subindo em uma caneta-tinteiro, e esponjas absorvendo a água da louça. Mas o que acontece se o tubo for mergulhado em um recipiente cheio não de água, mas de areia? A resposta é - nada. Contudo, se o tubo for agitado para cima e para baixo, a areia também começará a subir. Os cientistas descobriram agora o mecanismo por trás desse efeito, o chamado efeito capilar granular.

Dr. Eric J. R. Parteli, do Departamento de Geociências da Universidade de Colônia, Professor Fengxian Fan da Universidade de Xangai para Ciência e Tecnologia, e o Professor Thorsten Pöschel da Friedrich-Alexander University Erlangen-Nürnberg publicaram agora os resultados de seu estudo 'Origem da Capilaridade Granular Revelada por Simulações Baseadas em Partículas' em Cartas de revisão física .

A capilaridade do líquido resulta da interação de diferentes forças moleculares:a atração entre as moléculas do líquido os mantém unidos, enquanto a atração entre as moléculas e o tubo impulsiona o líquido para cima. Essa explicação impede a ocorrência de capilaridade para a areia porque os grãos de areia são muito maiores do que suas moléculas constituintes que as forças inter-moleculares podem ser negligenciadas com segurança em comparação com a gravidade e a inércia do grão. Contudo, surpreendentemente, a capilaridade granular foi observada em experimentos de laboratório em que o material granular foi submetido a uma pequena vibração vertical de alguns diâmetros de grão em amplitude e uma frequência de apenas alguns Hertz. A origem desse efeito capilar granular era um mistério antigo que a equipe internacional de cientistas conseguiu desvendar.

Eles investigaram o problema usando um método de simulação numérica baseado em partículas denominado Método dos Elementos Discretos. Neste método, a trajetória de cada grão é calculada resolvendo numericamente as equações de Newton de movimento de translação e rotação devido às forças que atuam em cada grão. Por meio de tal experimento numérico, é, portanto, possível rastrear a trajetória e a velocidade de todos os grãos, incluindo os grãos que estão profundamente dentro da massa granular, que são difíceis de avaliar em laboratório.

A equipe de pesquisa observou em suas simulações que o que faz a coluna de areia subir no tubo é um movimento convectivo dos grãos de areia dentro do recipiente, inerente aos materiais granulares sob vibrações verticais. Este fluxo convectivo causa o transporte de massa lateral dentro do empacotamento granular vibratório, o que leva a uma pressão ascendente na base da coluna granular no tubo, é por isso que a coluna sobe. Os cientistas descobriram que o quão rápido e longe a coluna sobe depende do tamanho do tubo. Notavelmente, as simulações mostraram que a altura do menisco granular (altura capilar que a coluna granular atinge depois de muito tempo) é proporcional ao inverso do tamanho do tubo. Este é exatamente o mesmo comportamento da capilaridade líquida, embora as forças motrizes nos dois sistemas sejam muito diferentes.

Os físicos mostraram em seu estudo que o mesmo efeito capilar pode ser produzido agitando o tubo em vez do recipiente, que abre aplicações promissoras nos setores de manuseio e transporte. Por exemplo, as partículas poderiam ser bombeadas de recipientes muito grandes apenas usando a capilaridade granular. Eles agora estão estudando o processo com mais profundidade para entender o efeito do sistema e da geometria das partículas.