С помощью новой экспериментальной техники инженеры Массачусетского технологического института исследуют механизмы оползней и землетрясений | Новости Массачусетского технологического института

Гранулированные материалы, состоящие из отдельных кусочков, будь то песчинки, кофейные зерна или галька, являются наиболее распространенной формой твердого вещества на Земле. То, как эти материалы движутся и реагируют на внешние силы, может определять возникновение оползней или землетрясений, а также более обыденных событий, таких как засорение хлопьев, выходящих из коробки. Тем не менее, анализ того, как происходят эти потоковые явления и что определяет их результаты, был настоящей проблемой, и большинство исследований ограничивалось двумерными экспериментами, которые не раскрывают полную картину того, как ведут себя эти материалы.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института разработали метод, который позволяет проводить подробные 3D-эксперименты, которые могут точно показать, как силы передаются через зернистые материалы и как форма зерен может кардинально изменить результаты. Новая работа может привести к лучшему пониманию того, как возникают оползни, а также как контролировать поток сыпучих материалов в промышленных процессах. Результаты описаны в журнале. ПНАС в бумага профессор Массачусетского технологического института в области гражданского и экологического строительства Рубен Хуанес и Вэй Ли С.М. ’14, доктор философии ’19, который сейчас работает на факультете в Университете Стоуни-Брук.

От почвы и песка до муки и сахара — гранулированные материалы встречаются повсеместно. «Это предмет повседневного обихода, это часть нашей инфраструктуры», — говорит Ли. «Когда мы занимаемся исследованием космоса, наши космические аппараты приземляются на сыпучий материал. А выход из строя гранулированных сред может иметь катастрофические последствия, например, оползни».

«Одним из основных результатов этого исследования является то, что мы даем микроскопическое объяснение того, почему пакет угловатых частиц прочнее пакета сфер», — говорит Ли.

Хуанес добавляет: «Всегда важно на фундаментальном уровне понимать общую реакцию материала. И я вижу, что в будущем это может предоставить новый способ прогнозирования того, когда материал выйдет из строя».

Научное понимание этих материалов началось несколько десятилетий назад, объясняет Хуанес, с изобретения способа моделирования их поведения с помощью двумерных дисков, показывающих, как силы передаются через совокупность частиц. Хотя это дало важные новые идеи, оно также столкнулось с серьезными ограничениями.

В предыдущей работе Ли разработал способ изготовления трехмерных частиц с помощью метода прессования, который позволяет получать пластиковые частицы, свободные от остаточных напряжений и способные принимать практически любую неправильную форму. Теперь, в своем последнем исследовании, он и Хуанес применили этот метод для выявления внутренних напряжений в гранулированном материале при приложении нагрузок в полностью трехмерной системе, которая гораздо более точно представляет реальные гранулированные материалы.

Эти частицы фотоэластичны, объясняет Хуанес, а это означает, что под воздействием стресса они изменяют любой свет, проходящий через них, в зависимости от величины стресса. «Итак, если вы пропустите через него поляризованный свет и подвергнете материал напряжению, вы сможете визуально увидеть, где происходит это изменение напряжения, в виде другого цвета и различной яркости материала».

По словам Хуанеса, такие материалы использовались уже давно, но «одной из ключевых вещей, которые никогда не были достигнуты, была способность отображать напряжения этих материалов, когда они погружены в жидкость, где жидкость может течь через сам материал».

Возможность сделать это очень важна, подчеркивает он, потому что «представляющие интерес пористые среды — биологические пористые среды, промышленные пористые среды и геологические пористые среды — часто содержат жидкость в своих поровых пространствах, и эта жидкость будет гидравлически транспортироваться через эти поры». отверстия. И эти два явления связаны: как передается напряжение и каково давление поровой жидкости».

Проблема заключалась в том, что при использовании для эксперимента набора двумерных дисков диски упаковывались таким образом, что полностью блокировали жидкость. Только при наличии трехмерной массы зерен всегда будут пути для течения жидкости, так что напряжения можно будет отслеживать во время движения жидкости.

Используя этот метод, они смогли показать, что «когда вы сжимаете зернистый материал, эта сила передается в форме того, что мы бы назвали цепочками или нитями, которые эта новая техника способна визуализировать и изобразить в трех измерениях». — говорит Хуанес.

Чтобы получить это трехмерное изображение, они используют комбинацию фотоэластичности для освещения силовых цепей, а также метод, называемый компьютерной томографией, аналогичный тому, который используется в медицинской компьютерной томографии, чтобы восстановить полное трехмерное изображение из серии из 2400 полученных плоских изображений. поскольку объект вращается на 360 градусов.

Поскольку зерна погружены в жидкость, имеющую точно такой же показатель преломления, что и сами зерна полиуретана, шарики невидимы, когда свет проходит через их контейнер, если они не находятся под нагрузкой. Затем прикладывается напряжение, и когда сквозь него просвечивается поляризованный свет, напряжения проявляются в виде света и цвета, говорит Хуанес. «Что действительно примечательно и захватывающе, так это то, что мы не визуализируем пористую среду. Мы визуализируем силы, которые передаются через пористую среду. Я думаю, это открывает новый способ исследования изменений напряжения в гранулированных материалах». Он добавляет, что «это действительно было моей мечтой на протяжении многих лет», и говорит, что она осуществилась благодаря работе Ли над проектом.

Используя этот метод, они смогли продемонстрировать, как именно из неправильных угловатых зерен получается более прочный и стабильный материал, чем из сферических. Хотя это было известно эмпирически, новый метод позволяет точно продемонстрировать, почему это происходит, основываясь на том, как распределяются силы, и позволит в будущих работах изучать широкий спектр типов зерен, чтобы точно определить, какие характеристики наиболее важен для создания устойчивых конструкций, таких как балласт железнодорожного полотна или каменная наброска на волноломах.

Поскольку не было возможности наблюдать трехмерные силовые цепочки в таких материалах, говорит Хуанес, «сейчас очень трудно делать прогнозы относительно того, когда именно произойдет оползень, потому что мы не знаем об архитектуре сил». цепи для разных материалов».

По словам Ли, потребуется время, чтобы разработать метод, позволяющий делать такие прогнозы, но в конечном итоге это может стать значительным вкладом этой новой техники. Также возможны многие другие применения этого метода, даже в таких, казалось бы, несвязанных областях, как реакция рыбьей икры на движение рыбы, несущей ее, в воде, или помощь в разработке новых видов роботизированных захватов, которые могут легко адаптироваться к захвату объектов. любой формы.

Работу поддержал Национальный научный фонд США.