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

Что произойдет, если звезда проглотит черную дыру: ученые смоделировали финал «хокинговских звезд»

Одной из главных нерешенных задач современной физики остается природа темной материи. На ее долю приходится около четверти массы Вселенной, однако мы до сих пор не знаем, из чего она состоит. Среди...

Что могут самые дешевые электронные весы SF-400 за 200 рублей c AliExpress? Обзор и стоит ли их брать?

Недавно приобрел одни из самых дешёвых кухонных весов, которые можно найти в продаже — модель SF-400. Стоимость устройства составляет около 190-200 рублей, поэтому стало интересно,...

Конкурент нефти за $1: как новая технология получает авиационное топливо из полимерных отходов

Авиационный транспорт играет ключевую роль в мировой экономике, обеспечивая быстрое перемещение пассажиров и грузов между континентами. Однако эта отрасль наносит существенный вред окружающей...

✦ ИИ  Почему еда прилипает даже к новой антипригарной сковороде: дело не в покрытии, а в температуре

Даже дорогая антипригарная сковорода прилипает? Скорее всего, вы совершаете одну грубую ошибку при разогреве. Как проверить температуру за 10 секунд и жарить как профессионал без пригорания.

Мощность 140 Вт в кармане: Полный обзор умного паяльника Alientek T90B

Рынок компактных паяльников с питанием от USB PD сейчас весьма оживлённый. Pinecil V2 и TS101 давно стали эталоном в своей нише: быстрый нагрев, портативность, открытое ПО. Alientek T90B...

AULA F108 PRO — обзор полноразмерной механической клавиатуры с дисплеем и энкодером

Полноразмерная механическая клавиатура, выполненная по gasket-конструкции. Помимо полноценного цифрового блока, модель получила энкодер и LCD-дисплей, на который можно выводить изображения,...