Granulära material, som sand och grus, är en intressant klass av material. De kan visa solida, flytande, och gasliknande egenskaper, beroende på scenariot. Men saker och ting kan bli komplicerade i fall av höghastighetsfordon, som gör att dessa material går in i en "trippelfas" natur, agerar som alla tre grundläggande faser av materien samtidigt.

Som rapporterades den 23 april, 2021 års nummer av tidskriften Vetenskapens framsteg , ett team av ingenjörer och fysiker från Massachusetts Institute of Technology (MIT) och Georgia Institute of Technology (GIT) har föreslagit en ny modell, Dynamisk motståndskraftteori, eller DRFT, för att möjliggöra nära realtidsmodellering av höghastighetsrörelse för godtyckligt formade objekt som rör sig genom granulära media.

"Ansökningar för detta arbete inkluderar prediktiv modellering av markpåverkan, terrängfordon, djurrörelser, och utomjordiska rovers, " konstaterar Ken Kamrin, docent vid institutionen för maskinteknik vid MIT och studiens motsvarande författare.

Ofta, granulära material modelleras korn för korn, men den här typen av tillvägagångssätt kan vara en dyr och långsam affär. Till exempel, Att modellera en liter strandsand för bara några sekunder kan ta veckor att bearbeta på din vanliga bärbara dator.

Forskare har länge sökt snabbare sätt att exakt modellera sådana material - och ofta är deras övergripande intresse fokuserat på att förstå en del i det övergripande modelleringspusslet:nettokraften som ett granulärt material som sand utövar på större rörliga kroppar.

"Det här är varför, under det senaste århundradet, forskare och ingenjörer har utvecklat disciplinen 'terramekanik, ' som hjälper till att förutsäga lokomotivens prestanda för fordon - mestadels runda hjul och stridsbanor - i granulära terränger, som öknar, " Kamrin förklarar. "Majoriteten av metoderna som används i denna disciplin förblir empiriska till sin natur med litet utrymme för anpassning. DRFT fyller detta gap och möjliggör modellering av rörelsen hos godtyckliga objekt som rör sig med olika hastigheter i sand."

DRFT är en gemensam satsning mellan Kamrin och doktorand Shashank Agarwal (även maskinteknik vid MIT) i samarbete med Daniel Goldman, Dunn familjeprofessor i fysik och doktorand Andras Karsai (båda från School of Physics vid GIT).

Forskargruppen grävde fram begreppet DRFT efter noggrann studie av en kontinuummodell av granulära media, som – till skillnad från korn-för-korn-metoden – modellerar det mjuka flödet av korn.

Deras kontinuumanalys avslöjade en utökad formel för de motståndskrafter som verkar på snabbt rörliga föremål. Medan det statiska kraftsvaret hos granulära medier redan är känt som statisk RFT (Resistive Force Theory), DRFTs utökade formulering inkluderar två "nyckelhastighetsberoende effekter" när man beräknar kraften på varje liten bit av ett objekts yta. Ett bidrag beror på tröghetseffekten av att accelerera det granulära mediet, och den andra är, som Goldman förklarar, en "subtil strukturell modifiering, " på grund av förändringarna i materialstyrka som uppstår när den granulära fria ytprofilen ändras.

"Intressant, när de sätts ihop, DRFT fångar olika kontraintuitiva observationer som observerats i granulär rörelse, inklusive beteenden som ses i cirkulär och "groused" hjulrörelse, 'c-leg' robotrörelse, och möjligen till och med förflyttning av ökendjur som zebrasvansödlor i höga hastigheter, ", konstaterar Goldman. "Samtidigt, DRFT belyser de dominerande fysiska fenomen som uppstår vid snabb framdrivning i spannmålsbäddar."

"Forskningen är av avgörande betydelse för tillämpningar som vägplanering och optimal rörelsedesign för terrestra, såväl som utomjordiska, applikationer, som Mars och månrovers, ", tillägger Kamrin. "Medan den här studien specifikt fokuserar på granulära material, det ger en plan för att utveckla liknande snabba, reducerade ordningsmodeller för andra materialklasser som lera och slurry."