填充在圆柱体内的颗粒可能会受到来自壁的向下力，从而导致明显的重量增加。
国会议员Ciamarra /南洋理工大学
体重问题。伴随实验数值模拟表明，气缸壁施加能够抵抗重力或者载体颗粒（红色），如通过良好建立的模型，或推颗粒预测向下（BLU ...摩擦力 显示更多
在装满谷物的料仓中，壁支撑谷物的一些重量，因此测得的重量小于谷物的真实重量。现在，类似的实验室规模系统的实验和仿真表明，在某些情况下，测量的重量可能会超过粒子的总重量。这种影响仅适用于狭窄的圆柱体，而不是实际的筒仓，但结果揭示了新现象，可能与食品，建筑和制药行业的颗粒系统有关。
装在筒仓中的谷物颗粒彼此紧紧地压在一起，使其部分悬浮，这种效果取决于颗粒之间的摩擦以及颗粒与壁之间的摩擦。如德国工程师HA Janssen在1895年所示[ 1 ] ，这种支撑减轻了它们的表观重量。
使用模型筒仓检查Janssen预测的实验以前表明，填充技术会影响结果。例如，您可以将颗粒以连续流的形式倒入，或者可以均匀地覆盖圆柱体的整个圆形区域，以便在填充过程中顶表面保持平坦。该过程对粒子楔入墙壁的方式有影响。在1923年，一对物理学家提出，在某些情况下，填充协议可能会导致壁上的摩擦力向下推动而不是向上推动粒子[ 2 ]。但是实验还没有揭示出这种向下的力量。
新加坡南洋理工大学的Massimo Pica Ciamarra和佐治亚理工学院和巴塞罗那大学的Alberto Fernandez-Nieves领导的团队研究了气缸填充过程及其产生的摩擦力。研究人员一次将几个直径为6毫米的塑料珠子倒入不同直径的玻璃圆柱体中，从而使颗粒柱沉降在每组新的珠子之间。每次添加颗粒后，他们测量表观重量和柱高。
对于大型圆柱体（直径至少是单个珠子的30倍），如Janssen模型所预测的那样，随着柱高的增加，表观重量的增长速度要比真实重量的增长速度更慢。但是，对于较小的圆柱体（直径是小珠的8到12倍），表观重量最初比真实重量增加得更快，在某些情况下，最大增加量超过真实重量10％以上。随着柱高的进一步增加，表观重量的增加更加缓慢，直到达到并随后降至真实重量以下。据研究人员称，观察到的额外重量令人惊讶，并且不符合目前公认的理论中的解释。
为了解释他们的观察结果，Ciamarra，Fernandez-Nieves和他们的同事进行了圆柱填充的模拟，其中一次在随机水平位置一次添加一个新颗粒，然后在添加每个颗粒之前让色谱柱沉降。通过他们的实验和模拟，研究人员发现，当每个粒子落在柱子的顶面上时，它会向侧面推动其他粒子，这会导致边缘的粒子向上推向墙壁。这些边缘粒子由于摩擦而受到来自墙壁的向下作用力，这导致表观重量增加，这就是小组所说的“反向詹森效应”。
研究小组仅在一定的填充高度范围内观察到了影响，填充高度范围是最窄圆柱体的珠子直径的10到36倍。对于较高的色谱柱，这种影响消失了，因为随着填充的进行，楔入壁的颗粒会因为重量增加而被掩埋。该重量将粒子向下推动，以抵抗来自其相邻粒子的向上推动，并减小或逆转来自壁的向下力。最终，足够多的颗粒被深埋，以至于墙壁向上推动的力大于向下推动力。当圆柱体的直径大于30个珠子的直径时，向上的力也变得占主导地位，因为随着直径的增加，体积（以及壁上每个粒子上向下推的重量）的增加比表面积更快。
“效果是完全出乎意料的。这些结果构成了[了解]颗粒物压实的重要一步，”巴黎索邦大学的凝聚态物理学家Pascal Viot说。他说，这项工作提出了几个问题，例如是否可以在反向和标准扬森效应之间进行切换，这有可能导致一种新型的振动传感器。
这项研究发表在《物理评论快报》上。
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