Физика гранулированных сред: как взаимодействуют объекты в сыпучих материалах?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Мнение | Наука и космос

Представьте себе пляж. Вы прогуливаетесь по нему, и каждый ваш шаг оставляет след. А что, если бы вы не шли один, а вместе с другом? Будет ли ваш след таким же, как если бы вы шли поодиночке? Удивительно, но именно такие вопросы занимают ученых, исследующих поведение объектов в гранулированной среде — песке, зерне или даже почве.

Когда одиночество не в радость

В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с гранулированными материалами: от утренней каши до строительных площадок. Но что происходит, когда в этих материалах движется нечто большее, чем просто песчинка? Оказывается, ответ на этот вопрос не так прост, как кажется.

Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

Когда одиночный объект движется в гранулированной среде, его движение замедляется силами трения между частицами. Это похоже на то, как если бы вы пытались пробраться через густой кустарник. Но что произойдет, если два объекта будут двигаться рядом?

Эффект «плечом к плечу»

Исследования показывают, что при движении двух объектов бок о бок в гранулированной среде происходит нечто удивительное: они начинают «сотрудничать». Когда объекты находятся на достаточном расстоянии друг от друга, каждый из них испытывает сопротивление, как если бы он двигался в одиночку. Но когда они сближаются, сила сопротивления уменьшается, как будто они помогают друг другу двигаться.

(a) Эскиз экспериментальной установки для перемещения вдоль оси x двух сферических интрудеров диаметром d, погруженных в зерно на глубину h. (b) Изображение эксперимента для двух погруженных интрудеров ∆ = 30 мм друг от друга, находящихся на глубине h = 14 мм и движущихся со скоростью V0 = 2,7 мм с-1 во время движения вперед. Изображение используется для наглядности, чтобы показать деформацию поверхности, возникающую на самой малой глубине. Цитирование: D. D. Carvalho, Y. Bertho, A. Seguin, E. M. Franklin, B. Darbois Texier; arXiv:2411.10602 [cond-mat.soft] DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2411.10602
Автор: D. D. Carvalho et al. Источник: arxiv.org

А знаете что? Этот эффект становится еще более выраженным, если погрузить объекты глубже в гранулированную среду. Чем глубже они находятся, тем сильнее проявляется их «сотрудничество».

В чем же дело?

Почему это происходит? Ученые предполагают, что когда два объекта движутся рядом, они нарушают так называемые «цепи контактов» между гранулами. Эти цепи, подобно переплетенным нитям, отвечают за сопротивление движению в гранулированной среде. Разрушая эти цепи, объекты создают «зону пониженного сопротивления», в которой легче двигаться. Это как если бы вы прокладывали путь в густом лесу, раздвигая ветви.

Позвольте объяснить: Представьте себе двух друзей, прокладывающих тропу в снегу. Когда они идут поодиночке, каждый из них протаптывает свой собственный след. Но если они идут рядом, то их следы сливаются, создавая более широкую и легкую для прохода тропу.

Математика песка

Для того чтобы описать это явление более точно, ученые используют математические модели. Они вводят понятие «экранирующей длины» — расстояния, на котором объекты начинают чувствовать влияние друг друга. Чем больше глубина погружения объектов в гранулированную среду, тем больше эта длина.

Честно говоря, разработка этих моделей — задача не из легких. Она требует учета множества факторов, таких как размер и форма объектов, характеристики гранулированной среды и скорость движения. Но, несмотря на трудности, ученые продолжают свои исследования, стремясь понять все тонкости этого увлекательного явления.

(a) Зарисовки вида сверху, иллюстрирующие модель, разработанную для рационализации взаимодействия между двумя нарушителями: (вверху слева) обозначения задачи; (внизу слева) область перед одним нарушителем, где цветовая шкала от синего к красному кодирует возрастающие значения члена взаимодействия α|v1 — v2|/V 2 0 в уравнении. (7); (справа) поле скоростей (синие стрелки) соседнего нарушителя внизу возмущает поле сил (красные стрелки), вызванное движением нарушителя вверху (и наоборот, не показано для наглядности). (b) Нормированная сила сопротивления F˜ для движения назад как функция нормированного расстояния разделения ˜δ. Символы соответствуют экспериментальным данным на разных глубинах, а сплошные линии представляют наилучшее соответствие модели. (c) Параметр λ0, деленный на d, полученный в результате наилучшей подгонки данных, как функция нормированной глубины h˜. Пунктирная линия показывает λ0/d ≃ 0,48. (d) Коэффициент α, полученный в результате наилучшей подгонки данных в зависимости от нормализованной глубины h˜. Пунктирная линия соответствует α ≃ 0,55 ˜h. Цитирование: D. D. Carvalho, Y. Bertho, A. Seguin, E. M. Franklin, B. Darbois Texier; arXiv:2411.10602 [cond-mat.soft] DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2411.10602
Автор: D. D. Carvalho et al. Источник: arxiv.org
Зачем нам это?

Но зачем все это нужно, спросите вы? Изучение взаимодействия объектов в гранулированных средах имеет важное практическое значение. Эти знания могут быть полезны в самых разных областях:

  • Сельское хозяйство: для оптимизации работы сельскохозяйственной техники, например, плугов.
  • Робототехника: для создания роботов, способных перемещаться по сложным гранулированным поверхностям.
  • Геофизика: для поиска полезных ископаемых и изучения процессов, происходящих в земной коре.
  • Космические исследования: для изучения грунта на других планетах и лунах.

В заключение: Изучение взаимодействия объектов в гранулированных средах — это захватывающая область исследований, открывающая нам новые горизонты в понимании фундаментальных физических явлений. И кто знает, какие еще тайны песка нам предстоит открыть в будущем.

1 комментарий

Добавить комментарий

1
Зачем форсите древние статьи, где вы осознанно вводите читателей в заблуждение? Зачем врете в своих статьях? В чем польза?

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Почему Лаос демографический аутсайдер Юго-Восточной Азии

Азия традиционно густонаселенный регион планеты. Но есть не самые явные исключения. Лаосская Народно-Демократическая Республика (Лаос) располагается в самом сердце Юго-Восточной Азии, занимая...

Наша галактика однажды перевернулась: как Млечный Путь изменил ось вращения из-за древнего столкновения

Когда мы смотрим на ночное небо, Млечный Путь кажется нам устойчивой и неизменной структурой. Основная часть звёзд нашей галактики, включая Солнце, движется по круговым орбитам в одной плоской...

Кесадилья: как простая лепёшка с сыром стала символом мексиканской кухни

Среди блюд Мексики есть немало тех, что давно вышли за пределы своей родины, однако кесадилья занимает особое место. Она не обладает сложной технологией приготовления, не требует большого...

Почему скумбрия обречена плыть всю жизнь, чтобы дышать и не тонуть

Каждый раз, выбирая рыбу в магазине, мы вряд ли задумываемся, что эта скромная серебристая тушка — один из самых экстремальных марафонцев планеты. Она начинает свой путь крошечной...

Какой именно метеорит уничтожил динозавров: ученые определили точный тип Чиксулубского астероида, и он оказался на редкость «сухим»

Шестьдесят шесть миллионов лет назад на Земле произошло одно из самых масштабных массовых вымираний. Оно привело к исчезновению нептичьих динозавров, птерозавров, крупных морских рептилий и...

✦ ИИ  Робот с забавным именем Boaty McBoatface отправился спасать климат: что происходит у берегов Гренландии

Иногда самые серьёзные научные миссии носят самые несерьёзные названия. Подводный робот, который в 2016 году едва не получил своё имя в результате шутливого интернет-голосования, теперь выполняет...