En grävande krabba och hålor hittade på sandstranden i Ishigaki, Japan; och ett schematiskt diagram av en sandstrand med krabbhålor. Kredit:Hiroaki Katsuragi
Forskare vid Nagoya University rapporterar ett mekaniskt samband mellan sandkrabbhålans bredder och bredden på kometgropar med hjälp av ett enkelt granulärt experiment.
Hål på en sandstrand i närheten av strandlinjen är ofta ingångar till sandkrabbhålor (fig. 1). Det är slående att hålornas storlekar (ingångsdiametrar) har ett typiskt värde (cirka 2 till 3 cm). Dessutom, det finns inga breda ingångar (t.ex. 10 cm i diameter). Varför gräver krabbor bara smala hålor? Självklart, krabbans storlek är en faktor – den behöver inte en stor håla om dess ryggsköld är liten. Dock, många typer av krabbor är mycket större än sandkrabbor — varför gräver de inte hålor i strandsanden, för?
En annan faktor måste vara på jobbet. Kanske bestäms storleken på sandkrabbhålor av substratets mekaniska begränsning:våt sand. Denna enkla idé var studiens utgångspunkt. Forskarna studerade stabiliteten och styrkan hos hålliknande strukturer med hjälp av ett förenklat modellsystem. På samma gång, de insåg att tomrummet (eller hålet) strukturen inom sammanhängande granulär materia är allestädes närvarande; till exempel, det är känt att tomrum finns inom kometer.
Dessutom, det är också känt att tomrum kan vara benägna att kollapsa. Därför, ett enkelt modellsystem kan vara användbart för att förklara en mängd naturliga tomrumskollapsfenomen, inklusive de som finns på kometer.
Tunnelkompressionsexperiment med användning av en universell testmaskin utfördes i denna studie (A). Ett vått granulärt lager med horisontell tunnelstruktur preparerades i ett akrylkärl (B). Hela det våta granulära lagret inklusive tunnelstrukturen komprimerades enhetligt. Kredit:Hiroaki Katsuragi
Genom att helt enkelt komprimera en horisontell tunnelstruktur i ett vått granulärt lager framställt genom att blanda vatten och glaspärlor (fig. 2), forskarna observerade tre deformationssätt:(i) krympning utan kollaps; (ii) krympning med kollaps men ingen sättning; och (iii) kollaps med sättningar. Läget (i) kan observeras när den initiala tunneldiametern är tillräckligt liten. När den initiala tunneldiametern ökar, deformationsläget blir instabilt. Den belastade tunnelstrukturen upplever sedan typ (ii) eller (iii) kollaps beroende på de experimentella förhållandena (initial tunneldiameter och kornstorlek). Vi fann att gränsen mellan (i) och (ii, iii) är cirka 5 cm i diameter. Faktiskt, detta värde ligger ganska nära den övre gränsen för krabbhålstorlekar som finns i fältet. Den här korrespondensen tyder på att krabbor gör relativt smala (liten diameter) hålor för att förhindra kollapsrisk - de måste vara smarta!
Dessutom, genom systematiska experiment, forskarna definierade och mätte styrkan hos en tunnelstruktur i vått granulärt material. Det uppmätta resultatet överensstämde i princip med liknande tidigare studier av våtgranulär mekanik.
Med hjälp av de erhållna hållfasthetsvärdena, forskarna uppskattade också den nedre storleksgränsen för gropstrukturer som finns på ytan av kometer. De fokuserade på kometytor täckta med gropstrukturer vars troliga ursprung är kollapsen av tomrum på grund av sublimering av flyktiga material inuti kometen. Ytan på en typisk komet består av en blandning av is och fasta partiklar. Denna typ av blandning är också ett slags typiskt sammanhängande granulärt material, som det våta granulära materialet som användes i experimentet.
För att bygga säkerhetshålor, sandkrabbor gräver relativt smala tunnlar. Stora hålor kommer sannolikt att kollapsa. De gropstrukturer som finns på kometytor har ett karakteristiskt storleksintervall som överensstämmer med kollapstillståndet för tomrumsstrukturer i kohesiv granulär materia. Därför verkar det som om både krabbhålor och kometgropar styrs av stabiliteten hos tomrum i sammanhängande granulärt material. Kredit:Hiroaki Katsuragi
Eftersom ett litet tomrum kommer att krympa och inte kollapsa, små gropar är osannolikt att skapas av ett tomrum som kollapsar under ytan. Verkligen, uppmätta värden av gropar på kometytor verkar ha en nedre gräns.
Genom att kombinera alla experimentella resultat och observationsinformation (ytmaterialstyrka och gravitationsacceleration som skiljer sig väsentligt från jordmaterial), forskarna bekräftade att gränsmodellen för krymp-kollaps ungefär överensstämmer med den observerade nedre gränsen för storleken på kometgropstrukturer. Experimentet sammanfattas i fig. 3.
I denna experimentella studie, modellsystemet var extremt förenklat. Även om forskarna tror att det väsentliga beteendet hos tunnelstrukturen i sammanhängande granulärt lager förstods ordentligt i studien, Det krävs mycket mer realistiska experiment för att ta itu med de specifika detaljerna. För en sak, storlekströsklarna kan bero på kornformen. Dessutom, ytterligare krabbstudier inom området skulle förbättra förståelsen av krabbhålor. Vidare, denna typ av tomrumskollaps i sammanhängande granulär materia kan vara mer universell än man tidigare trott. Forskarna föreslår att man överväger bredare tillämpningar. Till exempel, i november 2016, en väg i staden Fukuoka i södra Japan kollapsade plötsligt. Detta representerar också en typ av kollapsrisk för ett tomrum i ett sammanhängande granulärt lager. Det är, resultaten kan vara relevanta för katastrofförebyggande tekniker, också.
