korrelige materialen, zoals zand en grind, zijn een interessante materiaalklasse. Ze kunnen solide, vloeistof, en gasachtige eigenschappen, afhankelijk van het scenario. Maar dingen kunnen ingewikkeld worden in het geval van snelle voertuigbeweging, waardoor deze materialen een "driefasen" karakter krijgen, tegelijkertijd handelen als alle drie de fundamentele fasen van materie.

Zoals gemeld in de 23 april, uitgave van het tijdschrift 2021 wetenschappelijke vooruitgang , een team van ingenieurs en natuurkundigen van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en Georgia Institute of Technology (GIT) hebben een nieuw model voorgesteld, Dynamische weerstandskrachttheorie, of DRFT, om bijna real-time modellering van snelle bewegingen mogelijk te maken voor willekeurig gevormde objecten die door korrelige media bewegen.

"Toepassingen voor dit werk omvatten de voorspellende modellering van grondeffecten, off-road voertuigen, dier voortbeweging, en buitenaardse rovers, " merkt Ken Kamrin op, universitair hoofddocent bij de afdeling Werktuigbouwkunde aan het MIT en de corresponderende auteur van de studie.

Vaak, korrelige materialen worden korrel voor korrel gemodelleerd, maar dit soort benadering kan een dure en langzame aangelegenheid zijn. Bijvoorbeeld, het modelleren van een liter strandzand voor slechts een paar seconden kan weken duren om te verwerken op uw gemiddelde laptopcomputer.

Onderzoekers hebben lang gezocht naar snellere manieren om dergelijke materialen nauwkeurig te modelleren - en vaak is hun algemene interesse gericht op het begrijpen van één stukje van de algemene modelleringspuzzel:de netto kracht die een korrelig materiaal zoals zand uitoefent op grotere bewegende lichamen.

"Dit is waarom, de afgelopen eeuw, wetenschappers en ingenieurs hebben de discipline van 'terramechanica, ' die helpt bij het voorspellen van de locomotiefprestaties van voertuigen - meestal cirkelvormige loopvlakken van wielen en tanks - op korrelig terrein, zoals woestijnen, " legt Kamrin uit. "De meeste methoden die in deze discipline worden gebruikt, blijven empirisch van aard met weinig ruimte voor maatwerk. DRFT vult deze leemte en maakt het mogelijk om de beweging te modelleren van willekeurige objecten die met verschillende snelheden in zand bewegen."

DRFT is een gezamenlijke inspanning van Kamrin en afgestudeerde student Shashank Agarwal (ook van Werktuigbouwkunde aan het MIT) in samenwerking met Daniel Goldman, Dunn Family Professor of Physics en afgestudeerde student Andras Karsai (beiden van de School of Physics aan het GIT).

Het onderzoeksteam ontdekte het concept van DRFT na zorgvuldige studie van een continuümmodel van granulaire media, die - in tegenstelling tot de korrel-voor-korrel-benadering - de soepele stroom van granen modelleert.

Hun continuümanalyse onthulde een uitgebreide formule voor de weerstandskrachten die werken op snel bewegende objecten. Hoewel de statische krachtrespons van korrelige media al bekend staat als statische RFT (Resistive Force Theory), De uitgebreide formulering van DRFT omvat twee "belangrijke snelheidsafhankelijke effecten" bij het berekenen van de kracht op elk klein stukje van het oppervlak van een object. Eén bijdrage is te danken aan het traagheidseffect van het versnellen van de korrelige media, en de andere is, zoals Goldman uitlegt, een "subtiele structurele wijziging, " vanwege de veranderingen in materiaalsterkte die optreden als het korrelige vrije oppervlakprofiel verandert.

"Interessant, wanneer in elkaar gezet, DRFT legt verschillende contra-intuïtieve waarnemingen vast die zijn waargenomen bij granulaire voortbeweging, inclusief het gedrag dat wordt gezien in cirkelvormige en 'grousered' wielbeweging, 'c-leg' robot voortbeweging, en mogelijk zelfs de voortbeweging van woestijndieren zoals zebrastaarthagedissen met hoge snelheden, ' merkt Goldman op. 'Tegelijkertijd DRFT belicht de overheersende fysieke verschijnselen die optreden bij snelle voortstuwing in graanbedden."

"Het onderzoek is van cruciaal belang voor toepassingen zoals padplanning en optimaal locomotorontwerp voor terrestrische, evenals buitenaardse, toepassingen, zoals Mars en maanrovers, ", voegt Kamrin toe. "Hoewel deze studie zich specifiek richt op korrelige materialen, het biedt een blauwdruk voor het ontwikkelen van soortgelijke snelle, gereduceerde-orde modellen voor andere klassen van materialen zoals modder en slurries."