巴西果效应

巴西果效应是一种现象，其中受到摇晃或振动的颗粒材料会表现出类似于流体对流类型的循环模式。 它有时被称为巴西坚果效应，当xxx的不规则形状颗粒最终落在包含各种大小物体混合物的颗粒材料的表面上时。 这个名字来源于一个典型的混合坚果容器的例子，其中xxx的是巴西坚果。 这种现象也被称为牛奶什锦早餐效应，因为它出现在包含不同大小但密度相似的颗粒的早餐麦片包装中，例如牛奶什锦早餐混合物。

在实验条件下，已经观察到各种大小颗粒的颗粒对流形成类似于流体运动的对流单元。 颗粒流的对流正在成为一种众所周知的现象。

发现最大和（大概）最重的粒子上升到顶部可能是违反直觉的，但有几种可能的解释：

• 当对象的形状不规则时，随机运动会导致一些长方形的对象偶尔在垂直方向上转动。 垂直方向允许较小的项目落在较大的项目下方。 如果后续运动导致较大的项目水平重新定向，那么它将保留在混合物的顶部。
• 整个系统（包含混合坚果）在任意状态下的质心不是最优的低； 由于较大的巴西坚果周围的空间比较小的坚果周围有更多的空间，因此它有更高的趋势。 当坚果被摇动时，系统倾向于移动到较低的能量状态，这意味着通过向下移动较小的坚果来移动质心，从而使巴西坚果向上移动。
• 包括颗粒之间空间中空气的影响，较大的颗粒可能会漂浮或下沉。 每次摇动后，较小的颗粒会落入较大颗粒下方的空间。 随着时间的推移，较大的颗粒在混合物中上升。 （根据 Heinrich Jaeger 的说法，[这种] 尺寸分离的解释可能适用于没有颗粒对流的情况，例如对于侧壁完全无摩擦的容器或高容器表面深处（对流被强烈抑制）。 另一方面，当与侧壁或其他机制的摩擦在振动容器内建立对流滚动模式时，我们发现对流运动立即成为尺寸分离的主要机制。）
• 没有浮力或质心参数的相同解释：当较大的粒子向上移动时，较小粒子进入下方空间的任何运动都会阻止较大粒子回到其先前的位置。 重复运动导致更多小颗粒滑到大颗粒下方。 较大颗粒的较大密度对该过程没有影响。 无需摇晃； 任何产生粒子然后让它们沉降的过程都会产生这种效果。 提升粒子的过程将势能传递到系统中。 所有粒子以不同顺序沉降的结果可能是势能增加——质心升高。
• 当摇动时，颗粒在振动引起的对流中移动； 单个粒子向上移动穿过中间，穿过表面，然后向下移动到侧面。 如果涉及大颗粒，它将通过对流向上移动到顶部。 一旦到达顶部，大颗粒就会留在那里，因为对流太窄，无法沿着壁将其扫下。
• 随机堆积各种大小的硬球的孔径分布使得较小的球比较大的球更有可能通过重力向下移动。

这种现象与帕隆多悖论有关，因为巴西坚果在受到随机摇动时会逆重力梯度移动到混合坚果的顶部。

巴西果效应已通过使用磁共振成像 (MRI) 进行了探测，其中可以看到类似于流体（贝纳德细胞）中的对流滚动。

其他研究使用了延时 CT 扫描、折射率匹配流体和正电子发射追踪。

在技术含量较低的一端，研究人员还使用了薄而透明的塑料盒，这样可以直接看到某些物体的运动。

该效应对食品制造和类似操作很有意义。 一旦产生颗粒材料的均匀混合物，通常不希望不同类型的颗粒分离。 有几个因素决定了巴西坚果效应的严重程度，包括颗粒的大小和密度、颗粒之间任何气体的压力以及锥体的形状。