通过沙推



对于那些你们谁拿沙塔建设非常重视,听好了:bt365手机的工程师,现在说你可以信任一个非常简单的公式来计算推铲所需的力 - 以及其他任何“入侵者” - 通过沙。该小组还发现,相同的概念,被称为阻力理论,可以产生像泥浆粘性材料有用的方程。

该照片示出了正方形形“入侵者”通过各种材料,包括粗,盐状颗粒(白色)和细砂(青色绿色),以及更多的粘性(绿色)和糊状(蓝色)的材料切入。照片菲菲弗兰克尔

除了计算开拓出一个海滨壕沟所需的肘润滑脂,研究人员说的方程可以用于优化车辆驶过砾石和土壤的方式,如流动站导航火星景观。它也可以帮助阐明在动物如蜥蜴和蠕虫通过土打洞的方式。

阻力理论(RFT)是不是新的,事实上在上世纪50年代提出来描述的对象,通过粘性流体如水移动(小规模)的方式和蜂蜜。这是很久以后,科学家认为采用同样的想法,颗粒状物料,如沙。他们发现理论所预测的移动通过晶粒比其模拟为流体更好的对象所需要的力。这样做的原因一直是个谜,特别是因为预测粒状与流体的行为是非常困难的。

肯kamrin,bt365手机机械工程系的副教授说,科学家们认为粒状RFT为“有点像魔术,”不确定的是什么使这个概念的工作,以便抽查的砂土。

在一份文件中今天发表于 自然材料,kamrin,与前bt365手机博士后hesam阿斯卡里一起,根本上解决这个谜。他们报告说,他们已经确定了为什么方程式运作良好,颗粒状物料的机械的解释。现在,他们说,科学家们有理由相信阻力理论给通过沙精确的力的估计,甚至pastier材料,如泥浆和凝胶。

“人们观察到这个概念的工作,但不知道为什么,这是真正的科学家站不住脚 - 它只是一个巧合” kamrin说。 “现在我们可以解释颗粒阻力理论的骨干,所以你可以闭上眼睛,有信心,它的去上班。它给了我们一些稍纵即逝的希望,我们也许能够设计出的东西,更有效地移动,游泳,或翻越沙。”

入侵问题

颗粒状RFT是这样的:想象你正在用铲子,埋在沙一定深度合作。你想知道多少推铲,将其移动在一个特定的方向。要回答这个问题,首先需要做一些实验用小的方形板,用相同的材​​料作为制造铲。通过砂推盘,从所有可能的方向开始,并在所有可能的方向上移动。每个测试期间,测量的力才能移动板的量。

根据这一理论,你能想到的挖土机类似中小板的组合分析。估计移动铲所需的力,只需想象,每块板材自身,并添加了所有的微小的,个人的力量每块板的,沿铲每一个具体的位置和方向。事实证明,这个理论工作非常出色颗粒状物料,而且有些井流体。

“如果事情是运作良好,这将是很好知道为什么,” kamrin说。 “有可能是一大组的问题,如果你知道为什么入侵问题是很容易在沙找出你可能会解决。”

一推和推

kamrin开始写他能想到的,将代表颗粒流,看有无方程,它定义了机械的关系,也可能再现阻力理论假设简化的图象的最简单的公式。如果是的话,他的理由是,该公式 - 也被称为连续模型 - 能给为什么RFT作品,此外,验证理论力学的解释。

他想出了一个方程是标准模型的一个变种,根据库仑屈服准则,一个简单的标准,确定粒状材料是否会流向与否。想象一下你的沙手之间压缩的集合。库仑的公式表明,以单手滑动禁止其他的剪切应力 - 类似于施加的力滑动你的手 - 挤压沙土 - - 受周边压细分必须等于一些所谓的摩擦系数。如果此比达到摩擦系数(由砂的特性决定的),你的手会移动。 

kamrin增加了一个成分公式:分离规则,考虑到一个事实,即砂,一般情况下不会粘在一起。例如,如果您通过沙子移动铲子,它会创建一个立即与-落砂回填铲后面的临时洞 - 一个真实的现象kamrin说,重要的是要包括,为准确反映风沙流,特别是在“入侵”的情况,如通过沙子推铲。

kamrin和阿斯卡里施加其连续模型在它们模拟的简单板通过颗粒介质以多种方式移动有限元模拟。模拟的目的是要模仿他人进行实际试验。他们发现,谷物均流和对板的动力匹配其他人在他们的实验中观察到的东西。

球队然后模拟更复杂的对象,诸如圆形和菱形,通过砂移动,使用第一他们的连续模型,然后用其先前的板的模拟作为RFT输入RFT。两个模拟产生几乎相同的结果,并预测移动两个对象所需的相同的力值。当研究人员推模拟三维物体模型中,连续模型和RFT再次产生相同的答案。

“该协议是令人难以置信的好,” kamrin说。 “事实证明RFT恰好工作非常好,由于在库仑连续模型一个有趣的特性。”

“出了一个棘手的情况”

有趣的是,这种简化确实不那么在预测通过流体施加到物体上的力。 kamrin时和阿斯卡里建模的对象 - 在这种情况下,一个简单的园锄头 - 通过流体,粘性流动方程的力与力从单独的小板的总和固有不相容。当材料模型切换到精细模型,总兵力完全匹配什么独立的小板力的总和将给予。

“在某种意义上,这是一个试金石,” kamrin说。 “到最后,它证明颗粒连续模型完全符合一类的代表问题的阻力理论一致。”

看是否RFT能做出准确的预测在任何其他材料除了谷物,研究人员“通过的有造型方程材料的关系网去”,用类似的试验,确实,RFT也可以适用于像膏一定的粘性材料发现,凝胶,和泥。

kamrin说,现在科学家们可以依靠RFT帮助解决许多牵引相关的问题。但可以在公式也帮助人们走出,说,流沙?

“让我们这么说吧:无论哪种方式,你需要做一些工作,以弄清楚如何推动自己出流沙,” kamrin说。 “但在适当的情况下通过RFT一大堆划分的工作量。你不必解微分方程了。只要给我一对夫妇图表和一张纸和一支笔,我可以计算出我的出路的一个棘手的情况。”

“现在我们知道,RFT是可塑性的结果,比例关系能够发展到理解不同车辆的利弊行走机构和动物的附属物一样,怎么办大大小小的轮胎比较?怎么办脚蹼状的脚与长期瘦脚比较?不同体型怎么办影响沙游泳的表现?”丹尼尔·戈德曼,在佐治亚理工学院的物理学副教授,谁没有参与这项研究。 “还有那些尚未测试对RFT,如情况下,当动物步入自己的脚以前打扰材料这些相互作用的许多方面,但Ken的工作可能会导致我们可以测试的预测。”

这项研究得到了支持,部分由美国陆军研究办公室。