17 feb. 1999
2 minuten
Granulaire materialen, zoals zand en grind, kunnen vaste, vloeibare en gasachtige eigenschappen vertonen, afhankelijk van het scenario. Dit wordt ingewikkeld bij voertuigbewegingen met hoge snelheid, waardoor deze materialen een d’riefasige aard’ krijgen en zich gedragen als alle drie de fundamentele fasen van materie tegelijkertijd.
Zoals gerapporteerd in Science Advances , heeft een team van ingenieurs en natuurkundigen van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en Georgia Institute of Technology (GIT) een nieuw model ontwikkeld, Dynamic Resistive Force Theory (DRFT), om bijna realtime modellering mogelijk te maken van snelle beweging voor willekeurig gevormde objecten die door korrelige media bewegen.
"Toepassingen voor dit werk zijn onder meer de voorspellende modellering van grondinslagen, terreinvoertuigen, voortbeweging van dieren en buitenaardse rovers", zegt werktuigbouwer Ken Kamrin van het MIT.
Granulaire materialen worden vaak korrel voor korrel gemodelleerd, wat een dure en trage aangelegenheid is. Het modelleren van een liter strandzand kost op een gemiddelde laptop bijvoorbeeld al gauw een paar weken.
Onderzoekers hebben lang gezocht naar snellere manieren om dergelijke materialen nauwkeurig te modelleren. Vaak is hun interesse daarbij gericht op één onderdeel van de modelleerpuzzel: de nettokracht die een korrelig materiaal zoals zand uitoefent op grotere bewegende lichamen.
"Dit is de reden dat wetenschappers en ingenieurs de afgelopen eeuw de discipline ‘terramechanica’ hebben ontwikkeld, die helpt bij het voorspellen van de voortgangsprestaties van voertuigen – meestal voorzien van cirkelvormige wielen of rupsbanden – in korrelige terreinen, zoals woestijnen," zegt Kamrin . "Het merendeel van de methoden die in deze discipline worden gebruikt, blijft empirisch van aard met weinig ruimte voor maatwerk. DRFT vult dit gat en maakt het mogelijk de beweging van willekeurige objecten te modelleren die met verschillende snelheden in zand bewegen. "
Beeld: Ken Kamrin en Shashank Agarwal, Massachusetts Institute of Technology; en Daniel Goldman en Andras Karsai, Georgia Tech
Het onderzoeksteam heeft het concept van DRFT opgegraven na een zorgvuldige studie van een continuummodel van granulaire media, dat – in tegenstelling tot de korrel-voor-korrel-benadering – de soepele stroming van korrels modelleert.
Hun continuümanalyse onthulde een uitgebreide formule voor de weerstandskrachten die inwerken op snel bewegende objecten. Hoewel de statische krachtrespons van korrelige media al bekend staat als statische RFT (Resistive Force Theory), omvat de uitgebreide formulering van DRFT twee ‘belangrijke snelheidsafhankelijke effecten’ bij het berekenen van de kracht op elk klein stukje van het oppervlak van een object. De ene bijdrage is te danken aan het traagheidseffect van het versnellen van de korrelige media, en de andere is, zoals Goldman uitlegt, een ‘subtiele structurele modificatie’ als gevolg van de veranderingen in materiaalsterkte die optreden als het korrelige profiel van het vrije oppervlak verandert.
"DRFT legt diverse contra-intuïtieve waarnemingen vast die worden waargenomen bij granulaire voortbeweging, waaronder het gedrag bij wielen en rupsbanden, c-leg robotbeweging en mogelijk zelfs de voortbeweging van woestijndieren zoals zebrastaarthagedissen bij hoge snelheden," zegt Goldman. "Tegelijkertijd belicht DRFT de overkoepelende fysische verschijnselen die optreden bij snelle voortstuwing in korrelstructuren."
Kamrin: "Hoewel dit onderzoek zich specifiek richt op granulaire materialen, biedt het een blauwdruk voor het ontwikkelen van vergelijkbare snelle modellen in gereduceerde orde voor andere materiaalklassen zoals modder en slurries."