Onderzoekers van de Universiteit van Nagoya rapporteren een mechanisch verband tussen de breedte van het zandkrabhol en de breedte van kometenputten met behulp van een eenvoudig korrelig experiment.

Gaten op een zandstrand in de buurt van de kustlijn zijn vaak toegangen tot zandkrabbenholen (Fig. 1). Opvallend is dat de afmetingen (ingangsdiameters) van de holen een typische waarde hebben (ongeveer 2 tot 3 cm). Bovendien, er zijn geen brede ingangen (bijv. 10cm doorsnee). Waarom graven krabben alleen smalle holen? Natuurlijk, de grootte van de krab is één factor - hij heeft geen groot hol nodig als zijn schaal klein is. Echter, veel soorten krabben zijn veel groter dan zandkrabben - waarom graven ze geen holen in het strandzand, te?

Er moet een andere factor aan het werk zijn. Misschien wordt de grootte van zandkrabbenholen bepaald door de mechanische belasting van het substraat:nat zand. Dit simpele idee was het uitgangspunt van het onderzoek. De onderzoekers bestudeerden de stabiliteit en sterkte van holachtige structuren met behulp van een vereenvoudigd modelsysteem. Tegelijkertijd, ze realiseerden zich dat de lege (of gaten) structuur in samenhangende korrelige materie alomtegenwoordig is; bijvoorbeeld, het is bekend dat er holtes bestaan ​​in kometen.

Bovendien, het is ook bekend dat holtes vatbaar zijn voor instorting. Daarom, een eenvoudig modelsysteem zou nuttig kunnen zijn voor het verklaren van een verscheidenheid aan natuurlijke leegte-instortingsverschijnselen, inclusief die gevonden op kometen.

Door simpelweg een horizontale tunnelstructuur samen te persen in een natte korrelige laag geproduceerd door water en glasparels te mengen (Fig. 2), de onderzoekers observeerden drie vervormingsmodi:(i) krimp zonder instorting; (ii) krimp met bezwijken maar geen verzakking; en (iii) instorten met verzakking. Mode (i) kan worden waargenomen wanneer de initiële tunneldiameter voldoende klein is. Naarmate de aanvankelijke tunneldiameter groter wordt, de vervormingsmodus wordt onstabiel. De belaste tunnelstructuur ervaart dan type (ii) of (iii) instorting, afhankelijk van de experimentele omstandigheden (oorspronkelijke tunneldiameter en korrelgrootte). We vonden dat de grens tussen (i) en (ii, iii) is ongeveer 5 cm in diameter. Werkelijk, deze waarde ligt vrij dicht bij de bovengrens van de grootte van krabbenholen die in het veld worden gevonden. Deze overeenkomst suggereert dat krabben relatief smalle (kleine diameter) holen maken om het instortingsgevaar te voorkomen - ze moeten slim zijn!

In aanvulling, door systematische experimenten, de onderzoekers bepaalden en maten de sterkte van een tunnelstructuur in natte korrelige materie. Het gemeten resultaat was in principe consistent met vergelijkbare eerdere onderzoeken naar natte granulaire mechanica.

Met behulp van de verkregen sterktewaarden, de onderzoekers schatten ook de ondergrens van de grootte van putstructuren op het oppervlak van kometen. Ze concentreerden zich op komeetoppervlakken bedekt met putstructuren waarvan de plausibele oorsprong de ineenstorting van lege ruimtes is als gevolg van sublimatie van vluchtige materialen in de komeet. Het oppervlak van een typische komeet bestaat uit een mengsel van ijs en vaste deeltjes. Dit type mengsel is ook een soort typisch samenhangend korrelig materiaal, zoals de natte korrelige materie die in het experiment werd gebruikt.

Omdat een kleine leegte krimpt en niet instort, het is onwaarschijnlijk dat kleine putjes worden gecreëerd door een leegte die onder het oppervlak instort. Inderdaad, gemeten waarden van putten op komeetoppervlakken lijken een ondergrens te hebben.

Door alle experimentele resultaten en observatie-informatie te combineren (oppervlakte-materiaalsterkte en zwaartekrachtversnelling die significant verschillen van aardmateriaal), de onderzoekers bevestigden dat het krimp-instortingsgrensmodel ruwweg consistent is met de waargenomen ondergrens van de grootte van komeetputstructuren. Het experiment is samengevat in Fig. 3.

In dit experimentele onderzoek het modelsysteem was extreem vereenvoudigd. Hoewel de onderzoekers geloven dat het essentiële gedrag van de tunnelstructuur in de cohesieve korrelige laag goed werd begrepen in het onderzoek, er zijn veel meer realistische experimenten nodig om de specifieke details aan te pakken. Voor een ding, de groottedrempels kunnen afhangen van de korrelvorm. In aanvulling, verdere krabstudies in het veld zouden het begrip van krabholen verbeteren. Verder, dit soort instorting van de leegte in samenhangende korrelige materie zou universeler kunnen zijn dan eerder werd gedacht. De onderzoekers stellen voor om bredere toepassingen te overwegen. Bijvoorbeeld, in november 2016, een weg in de stad Fukuoka in het zuiden van Japan stortte plotseling in. Dit vertegenwoordigt ook een soort instortingsgevaar van een leegte in een samenhangende korrelige laag. Dat is, de bevindingen kunnen relevant zijn voor rampenpreventietechnieken, ook.