Kooperation zwischen zwei Eindringlingen, die sich Seite an Seite in körnigen Medien bewegen

In Vogelkolonien, Fischschwärmen und radfahrenden Pelotons kommt es zu erheblichen Wechselwirkungen zwischen Individuen durch die umgebende Flüssigkeit. Diese Wechselwirkungen sind in Flüssigkeiten wie Luft und Wasser gut verstanden, aber was passiert, wenn sich Objekte durch etwas wie Sand bewegen? Es stellt sich heraus, dass ähnliche Wechselwirkungen in körnigen Materialien wie Erde oder Sand auftreten und im alltäglichen Kontext eine entscheidende Rolle spielen. Denken Sie an Pflüge, die durch Ackerland schneiden, an Tiere, die sich unter der Erde graben, an Wurzeln, die sich durch den Boden bohren, oder sogar an Roboter, die die Oberfläche des Mars erkunden.

Kürzlich haben wir eine faszinierende Entdeckung gemacht: Wenn sich zwei Objekte – sogenannte „Eindringlinge“ – nebeneinander durch körnige Materialien bewegen, können sie sich tatsächlich gegenseitig helfen, indem sie den Widerstand verringern, dem sie ausgesetzt sind. Dieser kooperative Effekt wurde von einem Forscherteam der School of Mechanical Engineering der Universität Campinas (UNICAMP) in Brasilien und des FAST-Labors CNRS der Université Paris-Saclay in Frankreich entdeckt.

Um dies zu untersuchen, haben wir ein Experiment durchgeführt, bei dem kugelförmige Objekte in Glasperlen getaucht wurden, um ein körniges Medium nachzubilden. Das Ziel bestand darin, diese Objekte mit konstanter Geschwindigkeit zu ziehen und die Widerstandskraft zu messen, die sie erfuhren, als sie sich durch die Körner bewegten. Während frühere Studien die Querkräfte zwischen Objekten untersucht hatten, fragte sich unser Team, ob die Bewegung zusammen auch die Widerstandskraft verringern könnte.

Einige faszinierende numerische Simulationen von zwei unserer Forscher bei UNICAMP, DD Carvalho und EM Franklin, veröffentlicht im Physik der Flüssigkeiten im Jahr 2022 vorgeschlagen, dass dies möglich ist, aber wir wollten dies in der realen Welt testen.

Was wir fanden, war spannend: Wenn die beiden Eindringlinge nahe beieinander waren, verringerte sich der Widerstand auf jeden von ihnen erheblich – um bis zu 30 % im Vergleich zu einem größeren Abstand. Und je tiefer sie im Material vergraben waren, desto ausgeprägter wurde dieser Effekt. Die Erklärung? Wenn sich zwei Objekte nebeneinander bewegen, unterbricht die Bewegung des einen die Kraftketten zwischen den Körnern um das andere. Diese Unterbrechung des Kornkontakts verringert den Gesamtwiderstand, auf den jedes Objekt trifft.

Wir haben diesen Effekt nicht nur beobachtet, sondern auch ein semiempirisches Modell entwickelt, um ihn zu beschreiben. Das Modell basiert auf der Idee, dass Wechselwirkungen zwischen nahe beieinander liegenden Objekten diese granularen Kraftketten unterbrechen und ihre Bewegung erleichtern. Diese Studie jetzt veröffentlicht In Flüssigkeiten zur körperlichen Untersuchunghebt einen bisher wenig erforschten Aspekt der granularen Dynamik hervor: die kooperative Bewegung mehrerer Objekte.

Wenn die Erforschung dieser Dynamik voranschreitet, kann dies zu neuen Technologien und Techniken für die Navigation körniger Materialien auf der Erde und darüber hinaus führen und möglicherweise effizientere Lösungen für verschiedene Branchen und wissenschaftliche Bestrebungen ermöglichen.

Diese Geschichte ist Teil von Science X-Dialogwo Forscher Ergebnisse aus ihren veröffentlichten Forschungsartikeln melden können. Besuchen Sie diese Seite Weitere Informationen zum Science X Dialog und zur Teilnahme finden Sie hier.

Douglas De Carvalho ist Doktorand an der Fakultät für Maschinenbau der Universität Campinas (UNICAMP) in Brasilien und führt numerische Simulationen und Experimente an granularen Systemen durch. Er realisierte die in diesem Artikel vorgestellten Experimente. Diese Arbeit wurde von Baptiste Darbois Texier betreut, der Forscher im Labor Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques (FAST) an der Universität Paris-Saclay ist. Seine Forschung konzentriert sich auf die Mechanik körniger Medien und insbesondere auf die Rheologie dieser Materialien und Bewegungsprobleme in diesem Zusammenhang.