Współpraca dwóch intruzów poruszających się obok siebie w mediach ziarnistych

W koloniach ptaków, ławicach ryb i peletonach rowerowych między osobnikami zachodzą znaczące interakcje za pośrednictwem otaczającego płynu. Te interakcje są dobrze poznane w płynach takich jak powietrze i woda, ale co się dzieje, gdy obiekty poruszają się przez coś takiego jak piasek? Okazuje się, że podobne interakcje zachodzą w materiałach ziarnistych – takich jak gleba czy piasek – i odgrywają kluczową rolę w codziennych kontekstach. Pomyśl o pługach przecinających pola uprawne, zwierzętach ryjących pod ziemią, korzeniach przebijających się przez glebę, a nawet robotach badających powierzchnię Marsa.

Niedawno dokonaliśmy fascynującego odkrycia: kiedy dwa obiekty — tak zwane „intruzi” — poruszają się obok siebie w ziarnistych materiałach, mogą w rzeczywistości pomagać sobie nawzajem, zmniejszając napotykany opór. Ten efekt współpracy odkrył zespół naukowców ze Szkoły Inżynierii Mechanicznej na Uniwersytecie Campinas (UNICAMP) w Brazylii oraz laboratorium FAST, CNRS, Université Paris-Saclay we Francji.

Aby to zbadać, przeprowadziliśmy eksperyment z wykorzystaniem kulistych obiektów zanurzonych w szklanych kulkach w celu odtworzenia ośrodka ziarnistego. Celem było ciągnięcie tych obiektów ze stałą prędkością i zmierzenie siły oporu, jakiej doświadczały podczas przemieszczania się przez ziarna. Podczas gdy poprzednie badania dotyczyły sił poprzecznych między obiektami, nasz zespół zastanawiał się, czy wspólne poruszanie się może również zmniejszyć siłę oporu.

Kilka intrygujących symulacji numerycznych przeprowadzonych przez dwóch naszych badaczy z UNICAMP, DD Carvalho i EM Franklina, opublikowany w Fizyka płynów w 2022 r. zasugerował, że jest to możliwe, ale chcieliśmy przetestować to w prawdziwym świecie.

To, co odkryliśmy, było ekscytujące: gdy dwaj intruzi byli blisko siebie, opór wywierany na każdego z nich znacznie spadł – aż o 30% w porównaniu z sytuacją, gdy byli od siebie dalej. Im głębiej były zakopane w materiale, tym wyraźniejszy stawał się ten efekt. Wyjaśnienie? Kiedy dwa obiekty poruszają się obok siebie, ruch jednego zakłóca łańcuchy sił pomiędzy ziarnami wokół drugiego. To przerwanie kontaktu ziaren zmniejsza ogólny opór, jaki napotyka każdy przedmiot.

Oprócz obserwacji tego efektu opracowaliśmy także model półempiryczny, aby go opisać. Model opiera się na założeniu, że interakcje między blisko rozmieszczonymi obiektami zakłócają te ziarniste łańcuchy sił, ułatwiając ich poruszanie się. To badanie, teraz opublikowany W Płyny do przeglądu fizycznegopodkreśla wcześniej niedostatecznie zbadany aspekt dynamiki ziarnistej: wspólny ruch wielu obiektów.

W miarę postępu badań nad tą dynamiką mogą one doprowadzić do powstania nowych technologii i technik nawigacji w materiałach ziarnistych – na Ziemi i poza nią – potencjalnie umożliwiając bardziej wydajne rozwiązania dla różnych gałęzi przemysłu i przedsięwzięć naukowych.

Ta historia jest częścią Dialog Nauka Xgdzie badacze mogą zgłaszać wnioski z opublikowanych artykułów naukowych. Odwiedź tę stronę aby uzyskać informacje na temat Dialogu Science X i sposobu wzięcia w nim udziału.

Douglas De Carvalho jest doktorantem w Szkole Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Campinas (UNICAMP) w Brazylii i prowadzi symulacje numeryczne i eksperymenty na układach ziarnistych. Zrealizował eksperymenty przedstawione w tym artykule. Prace te nadzorował Baptiste Darbois Texier, który jest pracownikiem naukowym w laboratorium Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques (FAST) na Uniwersytecie Paris-Saclay. Jego badania koncentrują się na mechanice ośrodków ziarnistych, ze szczególnym uwzględnieniem reologii tych materiałów i problemów lokomocji w tym kontekście.