自然沙粒沙堆积的静止角的探究

编号（注：此处编号作者不填，由论文收藏单位填写。正式论文此行提示信息删除并保留2空行。）学士学位论文自然沙粒沙堆积的静止角探究学生姓名：杨雪丽学号：20130202020学院：物理与电气工程学院专业：物理学年级：13-2指导教师：周向玲完成日期：年月日学士学位论文BACHELOR’STHESIS中文摘要摘要：本文以新疆维吾尔自治区喀什地区喀什市巴楚县的沙子为研究对象，经过筛选得到直径为0.2mm～0.25mm范围内的沙粒，并挑选次圆和滚圆形状的自然沙粒，采用固定漏斗法对挑选的沙粒进行堆积，并且在堆积的过程中进行录像，记录沙粒的堆积过程，然后将录像得到的视频用视频处理软件处理成图片，最后将图片用计算机软件“CoreDraw”处理，计算自然沙粒堆积过程中的静止角和崩塌角，得出结论：（1）自然沙粒沙的静止角随时间是连续反复变化，变化范围在静止极小角到崩塌角之间。（2）沙粒的崩塌角与静止极角之间的差值是（3.36°±0.4°），两角度随时间的变化幅度相似。（3）偏圆形沙粒的崩塌角和静止极角的大小都要比混合沙的崩塌角和静止极角要大。关键词：静止角；崩塌角；静止极角；AbstractAbstract:Thispaperfollowsbachucountyinkashgar,xinjianguygurautonomousregionareaofthesandastheresearchobject，filteredbydiameterfrom0.2mmto0.2mmwithinthescopeofthegrainsofsand,andpickingtimeroundandroundedshapeofnaturalsand,selectedbythemethodoffixedfunnel,grainsofsandpiledup,andintheprocessofaccumulation,recordthesandaccumulationprocess,thenputthevideoforvideowithvideoprocessingintoimageprocessingsoftware,finallytheimageCoreDrawprocessingwithcomputersoftware,IntheprocessofcalculatingnaturalgrainsofsandpiledupAngleofreposeandtheAngleofthecollapse,cometotheconclusion:(1)Naturalreposeangleofsandisacontinuousrepeatedchangeovertime,rangebetweenthestationarytinyangletothecollapseoftheangle.(2)Angleandthecollapseofsandisthedifferencebetweenstaticpolarangle（3.36°±0.4°）,twoanglesimilarchangeovertime(3)PartialcollapseofsandroundangleandthesizeofthestaticpolaranglethanthecollapseofthemixedsandangleandstaticangleKeywords：Angleofrepose;ThecollapseofAngle;StaticpolarAngle;学士学位论文BACHELOR’STHESIS2目录中文摘要.........................................................1ABSTRACT.............................................................1引言.............................................................21.实验材料与设备.................................................31.1实验样品材料：................................................31.2实验设备：....................................................32.实验原理.......................................................33.实验与结果讨论.................................................53.1实验过程......................................................53.2自然沙粒沙堆积的静止角随时间的变化............................53.3崩塌角与静止极角的差值以及变化关系............................63.4偏圆形的沙粒与混合沙的静止角的比较............................74.实验结论.......................................................8参考文献........................................................10致谢............................................................12学士学位论文BACHELOR’STHESIS2引言颗粒物质是一类常见物质，表现出与固体，液体，气体不同的性质[12]，许多自然现象都与颗粒物质的性质有很大关系，而沙粒是颗粒物之中最常见的颗粒物质。我国是人口大国，尤其是近年来随着我国人口的迅速增长，给自然环境带来了严重的影响，大大加快了我国土地沙漠化，土地沙漠化给人类的生产生活以及动植物带来了很大影响，由此造成的自然灾害发生的次数越来越频繁。为了缓解我国土地沙漠化，减少对人类及自然环境的影响，我们必须深入了解沙粒的物理特性，从根本上解决土地沙漠化的问题，而沙粒的流动以及堆积情况又是影响土地沙漠化的重要因素，因此研究自然沙的堆积崩塌现象就表现的尤为重要。自然沙在堆积崩塌过程中存在一种角，叫做静止角，自然沙粒堆积的静止角的形成是由于区域地形，沙源和风力的相互作用塑造的一种动力平衡状态，是控制沙丘形态的重要因素之一[11]。也是描述自然沙粒的物理性质的重要因素之一。静止角是指颗粒物质堆积体自由表面处于平衡状态时自由表面与水平面之间的夹角[10]。静止角是一个范围角包括静止极小角和崩塌角（也叫休止角），自然沙在堆积崩塌过程中，当静止角超过或等于一个角度时，沙粒就会开始崩塌，这个角就是崩塌角，当崩塌停止时，会出现另一个角度，即静止极小角。自然沙在堆积崩塌过程中，静止角总是在静止极小角和崩塌角之间连续变化的。目前国内外许多部门都对颗粒物质的静止角进行了分析和研究，董玉秀等对中药复方参桂颗粒、市场普通谷物、味精等颗粒物质的休止角的测定方法进行了研究[13]，田晓红等对谷物颗粒物质的休止角进行了研究[6]，周英等人探究了颗粒堆积高度对静止角的影响[7]，bagnod和miller等人通过研究粒径大于2mm的堆积，得到了静止角的大小与沙粒表面粗糙程度、沙粒粒径、分选性和磨圆度等影响因素的关系，并给出了静止角的估算方法[8-9]。但是自燃沙粒有多种形态，而我国的新疆地区的沙漠中的沙子多为滚圆和次圆。所以本文主要研究偏圆形的自然沙的静止角。本文采用固定漏斗法对新疆维吾尔自治区喀什地区喀什市巴楚县的沙子，并选取滚圆和次圆的沙子进行堆积探究。在堆积过程中，用数码相机进行录像，并将视频用软件处理成图片，每秒选取8张图片，对每张图片进行分析处理，学士学位论文BACHELOR’STHESIS3得出每张图片中沙子堆积成的静止角，在录像过程中发现，沙子在堆积过程中是先堆积，堆积到一定角度的时候，发生崩塌，我们将沙粒崩塌时的角度称为崩塌角，崩塌结束时出现另一个角度即静止极小角，所以沙子在堆积过程中的静止角是不断增大的，当增大到崩塌角时，发生崩塌，减小到静止极小角，然后在重复之前的行为1.实验材料与设备1.1实验样品材料：本实验采用的试验样品主要是新疆维吾尔自治区喀什市巴楚县的自然沙粒，采集回来以后先将沙子洗净，然后晒干，最后用分样筛进行筛选，实验最后选取的自然沙粒直径是在0.2mm～0.25mm范围内的沙粒，之后再将筛选出来的沙子，选取滚圆和次圆形的沙粒进行实验1.2实验设备：坐标纸，玻璃漏斗，自制漏斗架，数码相机，计算机一台，尺子一套，放大镜，竹签若干2.实验原理自然沙堆积角的测定方法一般情况下采用的是注入法，先将漏斗固定在漏斗架上，使漏斗低端距离坐标纸3～7厘米之间，然后根据重锤法，确定漏斗中心，在开始实验之前先将漏斗口的地方盖住，然后再将筛选出来的沙子缓慢的放入漏斗中，之后在进行自然沙的堆积，如图1，图中展示的就是沙粒的堆积过程，实验过程中沙子缓慢的从漏斗中流出，形成一个圆锥形的堆积体。对堆积下来的沙粒做一些数学图形处理形成了图2，图中展示的是沙粒堆积下来形成的圆锥，圆锥的母线与底面半径之间的夹角为我们研究的静止角。根据圆锥的高度H与半径R，然后再根据数学公式arctan(H/R),即可得到我们所需要计算的静止角θ。学士学位论文BACHELOR’STHESIS4图（1）沙粒堆积过程图（2）沙堆的静止角Figure（1）TheprocessofsandpiledupFigure(2)SandangleofreposeLhtan但是，在我们实际操作中总会有不可避免的误差，沙子再从漏斗中流出的时候会对留下去的沙子有冲击作用，造成削峰现象，使得我们测量出来的圆锥的高H和半径R都存在误差，所以，为了减少外界因素对实验的影响，本实验在操作过程中对沙子的堆积过程采用录像处理，然后将录像得到的视频处理成图片，每秒处理30张图片，从中选出8张，之后用计算机软件CoreDraw处理数据得到每一组图片的数据，得出相应的静止角和崩塌角，如图3，图中展示就是用计算机软件处理图片的得到的数据图，这样的图片大概有一百多张，每一张都进行处理，就得到一百多个数据，这样处理出来的数据，有效的减小了误差，使我们得到的数据更为的精确。图（3）静止角的实验数据处理Figure(3)Theangleofreposeoftheexperimentaldataprocessing学士学位论文BACHELOR’STHESIS53.实验与结果讨论3.1实验过程首先将一张自制的坐标纸铺在水平的桌面上，在找好位置将自制漏斗架放在坐标纸上，然后将漏斗固定在漏斗架上，使漏斗口距离坐标纸4.5cm左右的高度，利用重锤法确定漏斗口垂直向下并且正对坐标纸坐标得原点。将漏斗口用尺子盖住，在将挑选好的沙子缓慢匀速倒入漏斗。将调整好的相机正对着放在正在堆积的沙堆前面一固定位置，使相机镜头与坐标纸的坐标轴完全平行，进行记录。堆积下来的沙子在桌面上形成圆锥形沙堆。将录制的视频转换为图片。每秒处理成30张图片，从其中选8张，通过CorelDraw软件对照片进行处理计算堆积静止角，之后再利用origin75软件将得到的实验数据绘制成折线图，进行数据图像分析。3.2自然沙粒沙堆积的静止角随时间的变化如图所示，图中展示的是将自然沙粒洗净晒干，然后筛选直径为0.2mm～0.25mm左右的滚圆和次圆的沙粒在坐标纸上堆积的沙堆，漏斗口径为1.5mm漏斗口到坐标纸的距离为4.5cm,沙粒堆积的静止角的变化关系图像。图（4）偏圆形沙粒的静止角随时间的变化关系Figure(4)PartialcircularAngleofreposeofsandalongwiththechangeoftimerelations