Du kan enkelt gå över sanden på en strand. Men kliv in i en bollgrop, och chansen är stor att du faller rakt igenom.

Sand- och bollgropar är båda granulära material, eller material som är gjorda av samlingar av mycket mindre partiklar eller korn. Beroende på deras densitet och hur mycket kraft de upplever, granulära material uppför sig ibland som vätskor - något du faller rakt igenom - och ibland "syltar" till fasta ämnen, gör dem till något du kan stå på.

"I vissa fall, dessa små partiklar har kommit på hur man faktiskt kan bilda fasta strukturer, "sade Robert P. Behringer, James B. Duke Professor i fysik. "Så varför sprutar de inte alltid i sidled och slappnar av all stress?"

Fysiker förstår ännu inte exakt när och hur störningar uppstår, men Behringer team på Duke är i ärendet. Gruppen kramar, sträcker sig, träffar, och drar i granulära material för att få en bättre bild av hur och varför de beter sig som de gör. Teamet presenterade nyligen hela 10 papper vid pulver- och spannmålskonferensen 2017, som inträffade från 3-7 juli, 2017 i Montpellier, Frankrike.

Många av dessa studier använder en av laboratoriets favorittekniker, som ska skapa granulära material från små transparenta skivor som är ungefär en halv tum till en tum i diameter. Dessa skivor är gjorda av ett material som, tack vare det speciella sättet det interagerar med ljus, byter färg när den kläms. Denna effekt gör att laget kan se hur stressen i materialet förändras när olika krafter appliceras.

I ett experiment, doktorand Yue Zhang använde en höghastighetskamera för att fånga stressmönstren när en boll på ett snöre ryckte ut från en hög med dessa skivor. I videon, bollen verkar först fastna under högen, och viker sedan plötsligt efter att tillräckligt med kraft utövas - inte till skillnad från vad du kan uppleva när du drar en tältpinne ur marken, eller öppna locket på en irriterande pickleburk.

"Det roliga är att du börjar försöka dra, du lägger till mer kraft, du lägger till mer kraft, och sedan någon gång drar du så hårt att du slår dig själv i huvudet, "Sa Behringer.

Laget blev förvånad över att upptäcka att stressmönstren som skapades av bollen, som Behringer säger "ser ut som hår som står hela tiden, "är nästan identiska med belastningen av påverkan, bara omvänt.

"Det du ser är trots att du gradvis drar hårdare och hårdare, den slutliga dynamiken är på något sätt samma dynamik som du får vid påverkan, "Sa Behringer.

I ett annat experiment, teamet undersökte vad som händer i granulära material under skjuvbelastning, som liknar den kraft dina fingrar utövar på varandra när du gnuggar ihop dem.

Doktoranden Yiqiu Zhao placerade hundratals av dessa skivor på en cirkulär plattform gjord av en serie platta, koncentriska ringar, var och en styrs av en separat motor. När ringarna vrider sig i olika hastigheter, partiklarna gnuggar mot varandra, skapar en skjuvspänning.

"Vi har ett tjugotal stegmotorer här, så att vi kan rotera alla ringar för att applicera en skjuvning inte bara från yttergränsen, men också överallt inuti huvuddelen av materialet, "Sa Zhao. Detta säkerställer att varje partikel i cirkeln upplever en liknande mängd skjuvning.

"En av nyckelavsikten med det här nya experimentet var att hitta ett sätt som vi kan klippa tills korna kommer hem, "Sa Behringer." Och om det tar hundra gånger mer skjuvning än jag kunde få med äldre experiment, vi får det. "

När ringarna vänder, videor av materialet visar krafter som smyger ut från den inre cirkeln som blixtnedslag. De fann att genom att applicera tillräckligt med skjuv, det är möjligt att göra materialet som ett fast ämne med mycket lägre densiteter än vad som hade setts tidigare.

"Du kan faktiskt förvandla en granulerad vätska till ett granulärt fast ämne genom att klippa den, "Sa Behringer." Så det är som att du inte lägger isen i kylskåpet, du lägger den i en av dessa brickor och du klipper brickan och det blir till is. "