质量极化球体在沉降过程中的动力学

由于存在有效的长程力，颗粒在重力作用下的沉降动力学异常复杂。当颗粒是极性的，具有明确的对称轴且密度不均匀时，最近的理论预测表明，长形物体将相互排斥，而扁形物体将微弱吸引。我们使用由粘合在一起的 2 mm 球体组成的质量极化长球体来检验这些预测。通过组合不同密度的球体，我们探究了不同的纵横比 ($\kappa$) 和质心偏移 ($\chi$)。实验在准二维 (2D) 和三维 (3D) 腔室中进行。通过光学追踪单个粒子的运动，我们发现动力学可以由一个可解析求解的简化迁移率矩阵模型很好地描述。粒子对表现出有效的排斥作用，其间距大致按 ~$(\kappa-1)/\chi^{0.39}$ 缩放，即更细长或质量不对称性更小的粒子具有更强的排斥效应。在 3D 中，$\chi>0$ 的粒子比 $\chi=0$ 的粒子分布更均匀，且均匀程度随 $\kappa$ 增加而提高，表明有效的二体排斥在大量粒子中得以显现。