Material butiran: Perbedaan antara revisi

 

== Wujud zat tambahan ==

Tidaklah berlebihan apabila bahkan sampai ada yang mengusulkan bahwa material butiran dapat dikatakan sebagai suatu [[fase benda|fase]] tersendiri dari wujud [[zat]], seperti terlihat dalam gambar berikut ini (A: padat – memiliki bentuk sendiri, B: cair – memiliki tinggi yang sama, C: gas – memenuhi wadahnya, dan D: butiran – bergantung asupan [[energi]]).

 

Hal yang menarik dari material jenis ini, selain fasenya yang dapat berubah-ubah sesuai dengan kondisi lingkungannya (perubahan fase ini tidak mengubah fase butiran), adalah munculnya banyak fenomena yang belum dapat dirumuskan oleh ilmu [[fisika]] yang ada, misalnya saja dengan Efek Kacang Brasil (''Brazil Nut Effect'') dan Kebalikan Efek Kacang Brasil (''Reverse Brazil Nut Effect''), osilasi, avalansi, segregasi dan turbulensi.

 

* Efek Kacang Brasil: campuran dua buah butiran berbeda ukuran yang diasup energi dari luar berupa [[vibrasi]] akan membuat terjadinya pemisahan antara kedua butiran, butiran besar di atas dan butiran besar di bawah, dan hal ini tidak tergantung dari massa satuan kedua butiran tersebut.

* Kebalikan Efek Kacang Brasil: kebalikan dari Efek Kacang Brasil, di mana butiran yang lebih kecil akan berada di atas dan yang lebih besar di bawah.

* Osilasi: pertukaran antara keadaan segregasi dan tercampur. Salah satu fenomena osilasi diperoleh dengan membagi wadah osilasi ke dalam dua buah ruang yang identik.

* Turbulensi: dalam aliran material butiran yang memiliki [[Bilangan Reynolds]] yang berbeda dengan fluida, dapat terjadi turbulensi dengan alasan yang berbeda.

 

== Efek kacang Brasil ==

 

== Kebalikan efek kacang Brasil ==

Kebalikan efek kacang Brasil ditunjukkan oleh Breu ''et. al.'' (Phys. Rev. Lett. '''90''', 014302 (2003)). Menurutnya, kedua efek ini dapat diperoleh.

 

== Avalansi ==

 

 

 

Adalah karena sifat avalansi material butiran maka jam pasir dapat digunakan untuk pengukur waktu, tidak seperti cairan yang lajunya bergantung jumlah cairan di atasnya, untuk material butiran (dalam hal ini pasir halus) laju jatuhnya bernilai tetap.

== Iblis Maxwell ==

 

Material butiran dapat menunjukkan bahwa suatu ekperimen dalam pemikiran (''thought experiment''/''Gedankenexperiment'') yang dikenal sebagai Iblis Maxwell (''Maxwell's Demon'') dapat terealisasi dalam simulasi, sebagaimana dilakukan oleh Jens Eggers (Phys. Rev. Lett. '''83''', 5322–5325 (1999)), untuk mendukung percobaan yang ditunjukkan oleh H. J. Schlichting dan V. Nordmeier (Math. Naturwiss. Unterr. '''49''', 323 (1996)).

 

Dalam percobaan ini digunakan sebuah kotak dengan luas alas 12 cm² dan tinggi 20 cm yang diletakkan di atas sebuah penggetar vertikal dan diisi oleh 100 buah butiran plastik dengan ukuran garis tengah 1 mm. Celah dibuat pada ketinggian 2,3 cm. Pada kondisi penggetar dengan tenaga maksimum yaitu amplitudo 0,3 cm dan frekuensi 50 Hz, partikel terdistribusi merata pada kedua ruang (sisi gambar sebelah kiri), meskipun pada awalnya diisikan hanya pada salah satu ruang. Akan tetapi apabila frekunsi diturunkan, terdapat suatu frekuensi kritis, yaitu di bawah 30 Hz, di mana terjadi kerusakan simetri sehingga butiran-butiran akan lebih memilih untuk mengelompok di salah satu ruang (sisi kanan).

 

 

== Segregasi ==

 

 

Segregasi atau pemisahan merupakan salah satu fenomena material butiran yang dapat amat dimanfaatkan oleh industri. Akan tetapi fenomena ini harus pula diperhatikan efesiensi pemanfaatannya apabila dibandingkan dengan teknologi yang telah ada, yaitu proses penyaringan dan pemisahan secara gaya berat (ban berjalan dan putaran sentrifugal).

== Osilasi ==

 

 

Dalam gambar berikut terlihat bahwa sebelum butiran yang lebih besar berpindah, terjadi dulu efek kacang Brasil, yang menyebabkan butiran besar berada di atas (sedangkan butiran kecil di bawah) dan dapat berpindah, yang kemudian disusul oleh butiran kecil. Pada gambar bagian keempat terlihat bahwa diperlukan suatu saat agar keadaan kebalikan efek kacang Brasil menjadi keadaan efek kacang Brasil sehingga butiran besar berada di atas kembali, untuk mempersilakan butiran besar pindah ke ruang lainnya. Dan kejadian seperti dalam gambar bagian pertama terulang kembali dalam sisi yang berlawanan, dan berlangsunglah osilasi. Hasil tersebut diperoleh oleh S. Viridi, M. Schmick dan M. Markus melalui eksperimen yang berlawanan dengan hasil yang diperoleh sebelumnya melalui simulasi dinamika molekular oleh Lambiotter ''et al.''.

Fisika statistik dan termodinamika merupakan salah satu cara untuk memahami material butiran. Dengan menggunakan konsep [[gas ideal]], beberapa permasalahan material butiran dalam ruang tertutup dengan jumlah partikel yang cukup banyak dapat dihampiri, akan tetapi tidak apabila terjadi perubahan fase yang menyebabkan tidak lagi berlakunya rumusan tersebut.

 

 

Untuk material butiran yang mengalir, pendekatan fisika fluida dengan persamaan kontinuitas dapat digunakan, akan tetapi pun berlaku hal yang sama, pendekatan ini memiliki batas-batas tertentu.

 

== Efek Leidenfrost ==

Baru-baru ini ditemukan bahwa material butiran pun dapat menunjukkan efek leidenfrost, di mana fase padat dari butiran dapat menunggangi fase gas. Pada efek leidenfrost sebenarnya, fase cair menunggangi fase gas, Eshuis dkk. dari Universitas Twente, Belanda, menjelaskan dengan model dan percobaan bahwa efek ini membutuhkan nilai ''(af)'' tertentuk agar dapat terjadi, di mana ''a'' adalah amplitudo getaran wadah dan ''f'' adalah frekuensi getarannya.

 

== Material butiran 1D ==

 

 

Yang dimaksud dengan material butiran 1D (satu dimensi) adalah suatu model eksperimen, simulasi ataupun teori yang dikembangkan dengan membatasi derajat kebebasan butiran sehingga hanya bisa bergerak translasi ke satu arah. Dua buah contohnya adalah mainan [[ayunan Newton]] (''Newton's cradle'') dan untaian manik-manik.

 

== Logam butiran ==

Logam butiran umumnya tersusun seperti [[roti lapis]] (''sandwich''), yaitu dua buah lempeng bahan tak-menghantar (isolator) yang di tengah-tengahnya disisipkan butiran-butiran logam. Kadang kala suatu logam butiran dapat dianggap seakan-akan sebagai larik (''array'') dari titik kuantum (''quantum dot''), yang dari sisi teori dan eksperimen mempunyai kekhususan menarik secara [[fisika]].

 

Dalam logam butiran, bukan lagi sifat material butiran yang dinamis (fase, temperatur/energi kinetik, distribusi/posisi) yang diperhatikan, melainkan sifat-sifat listrik dan kekuatannya mekaniknya (kelenturan, kegetasan).

 

== Pranala luar ==

* {{en}} Chippla Vandu, Jürg Ellenberger and R. Krishna, "[http://www.science.uva.nl/research/cr/GranularSegregation/ Vibration-Induced Granular Segregation: The Brazil Nut Problem]".

* {{en}} Jingshan Zhang and Boris I. Shklovskii, "Density of states and conductivity of a granular metal or an array of quantum dots", [http://link.aps.org/abstract/PRB/v70/e115317 Phys. Rev. B 70, 115317 (2004)]

* {{en}} R. Lambiottea, J.M. Salazarb, and L. Breniga, "From particle segregation to the granular clock", [http://dx.doi.org/10.1016/j.physleta.2005.06.006 Physics Letters A '''343''' (2005) 224–230]

* {{en}} Hisao Hayakawa, Daniel C. Hong, "Thermodynamic Theory of Weakly Excited Granular Materials", [http://arxiv.org/abs/cond-mat/9703075 arXiv:cond-mat/9703075]

* {{en}} Nathan C. Blanchard, Paul V. Quinn, Daniel Ou-Yang, Joseph Both, Daniel C. Hong, "Fermi Statistics of Weakly Excited Granular Materials in a Vibrating Bed II: One Dimensional Experiment", [http://arxiv.org/abs/cond-mat/9901113 arXiv:cond-mat/9901113]

* {{en}} Sparisoma Viridi, Malte Schmick, and Mario Markus, "Experimental observations of oscillations and segregation in a binary granular mixture", [http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.74.041301 Phys. Rev. E 74, 041301 (2006)].

 

[[Kategori:Material butiran| ]]