Presión en un material granular

Recipiente cilíndrico

Sea un recipiente cilíndrico de radio r lleno de un material granular. Situamos el eje Z en el eje del recipiente y el origen O en la superficie del material granular.

Consideremos un elemento cilíndrico de dicho material de radio r situado entre z y z+dz. Las fuerzas sobre dicho elemento son

En el equilibrio

( p v +d p v )π r 2 =( ρπ r 2 dz )g+ p v π r 2 −μ( p h ·2πr·dz ) d p v dz =ρg− 2μ r p h

Janssen relaciona las dos presiones ph=k·pv, 0≤k≤1. Obteniendo la ecuación diferencial en pv (presión vertical)

d p v dz =ρg− 2μk r p v

Integramos la ecuación diferencial, con la condición inicial para z=0, pv=0

d p v ρg− 2μk r p v =dz ∫ 0 p v d p v ρg− 2μk r p v = ∫ 0 z dz − r 2μk ln( ρg− 2μk r p v ) | 0 p v =z ln( ρg− 2μk r p v )−ln( ρg )=− 2μk r z ρg− 2μk r p v ρg =exp( − 2μk r z ) p v = ρgr 2μk ( 1−exp( − 2μk r z ) )

fplot(@(z) 1-exp(-0.2*z), [0,30])
grid on
xlabel('z')
ylabel('p_v/p_{máx}')
title('Presión vertical de un material granular')

Se trata de una función que crece desde 0 hasta un valor límite constante,

z>> r 2μk ,  p v → p máx = ρgr 2μk

Cuando μ→0, (líquido incompresible), tenemos una indeterminación 0/0, que resolvemos aplicando la regla de L'Hôpital. Llamamos x=μk

lim x→0 ρgr 2x ( 1−exp( − 2x r z ) )= ρgr 2 lim x→0 1−exp( − 2x r z ) x lim x→0 f(x) g(x) = lim x→0 f'(x) g'(x) f(x)=1−exp( − 2x r z ),  df(x) dx = 2 r zexp( − 2x r z ) g(x)=x,  dg(x) dx =1 ρgr 2 lim x→0 2 r zexp( − 2x r z )=ρgz

La presión ρgz solamente depende de la altura z de fluido

Recipiente cónico

Sea R el radio de la superficie del material granular contenido en un recipiente cónico de ángulo 2θ.

El radio r del elemento cilíndrico, depende de la altura z

tanθ= R z+h = r h

Eliminando h, obtenemos r=R-z·tanθ

La altura del material granular, zm=R/tanθ, desde el vértice hasta la superficie de dicho material

La ecuación diferencial que nos proporciona la presión vertical pv es

d p v dz + 2μk R−ztanθ p v =ρg

El procedimiento para resolver esta ecuación diferencial se describe en la página titulada Ecuaciones diferenciales (I). Primero, resolvemos la ecuación diferencial homogénea

d p v dz + 2μk R−ztanθ p v =0

Separamos las variables

d p v p v +2μk dz R−ztanθ =0 ∫ d p v p v +2μk ∫ dz R−ztanθ =c ln p v − 2μk tanθ ln( R−ztanθ )=c p v =C(z) ( R−ztanθ ) 2μk tanθ

Se introduce esta solución en la ecuación diferencial no homogénea

dC(z) dz ( R−ztanθ ) 2μk tanθ −tanθ 2μk tanθ ( R−ztanθ ) 2μk tanθ −1 C(z)+ 2μk R−ztanθ C(z) ( R−ztanθ ) 2μk tanθ =ρg dC(z) dz ( R−ztanθ ) 2μk tanθ =ρg C(z)=ρg ∫ ( R−ztanθ ) − 2μk tanθ dz+c C(z)=− ρg tanθ ( R−ztanθ ) − 2μk tanθ +1 − 2μk tanθ +1 +c C(z)= ρg 2μk−tanθ ( R−ztanθ ) − 2μk tanθ +1 +c

La integral completa es

p v ={ ρg 2μk−tanθ ( R−ztanθ ) − 2μk tanθ +1 +c } ( R−ztanθ ) 2μk tanθ p v = ρg 2μk−tanθ ( R−ztanθ )+c ( R−ztanθ ) 2μk tanθ

La constante c de determina a partir de la condiciones iniciales, z=0, pv=0

0= ρg 2μk−tanθ R+c R 2μk tanθ c=− ρg 2μk−tanθ R − 2μk tanθ +1

La expresión final de la presión pv es

p v = ρg 2μk−tanθ ( R−ztanθ )− ρg 2μk−tanθ R − 2μk tanθ +1 ( R−ztanθ ) 2μk tanθ p v = ρgR 2μk−tanθ ( 1− z R tanθ ){ 1− ( 1− z R tanθ ) 2μk tanθ −1 } p v = ρg R tanθ 2μk tanθ −1 { 1− z R tanθ− ( 1− z R tanθ ) 2μk tanθ }

Representamos pv/(ρgzm) en función de x=z/zm, para varios valores del parámetro λ=2μk/tanθ

p v ρg z m = 1 λ−1 { 1− z z m − ( 1− z z m ) λ },  z m = R tanθ , λ= 2μk tanθ

hold on
for k=1./[1.6,1.1,0.6,0.1]
    f=@(x) (1-x-(1-x).^k)/(k-1);
     fplot(f, [0,1],'displayName',num2str(1/k))
     g=@(x) (1-x).^(k-1)-1/k;
     x_m=1-(1/k)^(1/(k-1));
     line([x_m,x_m],[0,f(x_m)],'lineStyle','--')
end
hold off
grid on
xlabel('z/z_m')
ylabel('p_v/(\rhogz_m)')
title('Presión vertical de un material granular')

La presión pv se anula en la superficie del material granular z=0 y en el vértice del cono Zm. Presenta un máximo a una posición intermedia, xmáx

y= 1 λ−1 { 1−x− ( 1−x ) λ }, x= z z m dy dx = 1 λ−1 { −1+λ ( 1−x ) λ−1 }=0 ( 1−x ) λ−1 − 1 λ =0 x máx =1− ( 1 λ ) 1 λ−1

Referencias

Vladimir Ivchenko. Beyond Stevin’s law: the Janssen effect. Eur. J. Phys. 44 (2023) 025006