Scienziati e ingegneri del MIT e della Georgia Tech stanno consentendo la modellazione quasi in tempo reale delle ruote, battistrada del serbatoio, e animali del deserto che viaggiano ad alta velocità su terreni sabbiosi. "Teoria dinamica della forza resistiva, " o modellazione DRFT, illustrato qui, fornisce un modello per una modellazione granulare più rapida e un percorso per aiutare a progettare veicoli del deserto migliori, e Marte e rover lunari. Credito:Ken Kamrin e Shashank Agarwal, Istituto di Tecnologia del Massachussetts; e Daniel Goldman e Andras Karsai, Georgia Tech
materiali granulari, come sabbia e ghiaia, sono una classe interessante di materiali. Possono visualizzare solidi, liquido, e proprietà simili ai gas, a seconda dello scenario. Ma le cose possono complicarsi in caso di locomozione di veicoli ad alta velocità, che fanno sì che questi materiali entrino in una natura "trifase", agendo come tutte e tre le fasi fondamentali della materia contemporaneamente.
Come riportato nel 23 aprile, Numero 2021 della rivista Progressi scientifici , un team di ingegneri e fisici del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e del Georgia Institute of Technology (GIT) ha proposto un nuovo modello, Teoria della forza resistiva dinamica, o DRFT, per consentire la modellazione quasi in tempo reale del movimento ad alta velocità per oggetti di forma arbitraria che si muovono attraverso mezzi granulari.
"Le applicazioni per questo lavoro includono la modellazione predittiva degli impatti al suolo, veicoli fuoristrada, locomozione animale, e rover extraterrestri, " nota Ken Kamrin, professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT e autore corrispondente dello studio.
Spesso, i materiali granulari sono modellati granello per granello, ma questo tipo di approccio può essere un affare costoso e lento. Ad esempio, modellare un litro di sabbia da spiaggia per pochi secondi potrebbe richiedere settimane per l'elaborazione sul tuo computer portatile medio.
I ricercatori hanno cercato a lungo modi più veloci per modellare accuratamente tali materiali e spesso il loro interesse generale è focalizzato sulla comprensione di un pezzo nel puzzle di modellazione generale:la forza netta che un materiale granulare come la sabbia esercita su corpi in movimento più grandi.
"Ecco perché, nel secolo scorso, scienziati e ingegneri hanno sviluppato la disciplina della 'terrameccanica, ' che aiuta a prevedere le prestazioni della locomotiva dei veicoli, principalmente ruote circolari e carri armati, in terreni granulari, come deserti, " Spiega Kamrin. "La maggior parte dei metodi utilizzati in questa disciplina rimane di natura empirica con poco spazio per la personalizzazione. DRFT colma questa lacuna e consente di modellare il movimento di oggetti arbitrari che si muovono a varie velocità nelle sabbie".
DRFT è uno sforzo congiunto tra Kamrin e lo studente laureato Shashank Agarwal (anche lui di Ingegneria Meccanica al MIT) in collaborazione con Daniel Goldman, Professore di fisica della famiglia Dunn e studente laureato Andras Karsai (entrambi della Scuola di Fisica al GIT).
Ingegneri e fisici del MIT e della Georgia Tech stanno consentendo la modellazione quasi in tempo reale delle ruote, battistrada, e animali del deserto che viaggiano ad alta velocità su terreni sabbiosi. "Teoria dinamica della forza resistiva, " o DRFT, fornisce un percorso per una modellazione granulare più rapida e aiuta nella progettazione di veicoli fuoristrada ottimali, come Marte e i rover lunari. Credito:Jack Delulio su Unsplash
Il team di ricerca ha portato alla luce il concetto di DRFT dopo un attento studio di un modello continuo di mezzi granulari, che, a differenza dell'approccio chicco per chicco, modella il flusso regolare dei chicchi.
La loro analisi del continuum ha rivelato una formula estesa per le forze resistive che agiscono su oggetti in rapido movimento. Mentre la risposta alla forza statica dei mezzi granulari è già nota come RFT statico (teoria della forza resistiva), La formulazione estesa di DRFT include due "effetti chiave dipendenti dalla velocità" quando si calcola la forza su ogni piccolo pezzo della superficie di un oggetto. Un contributo è dovuto all'effetto inerziale dell'accelerazione del mezzo granulare, e l'altro è, come spiega Goldman, una "sottile modifica strutturale, " a causa dei cambiamenti nella resistenza del materiale che si verificano quando il profilo della superficie libera granulare cambia.
"Interessante, quando messi insieme, DRFT cattura diverse osservazioni controintuitive osservate nella locomozione granulare, compresi i comportamenti osservati nella locomozione a ruota circolare e "a costola", locomozione robot 'c-leg', e forse anche la locomozione di animali del deserto come lucertole dalla coda zebrata ad alta velocità, " osserva Goldman. "Allo stesso tempo, DRFT illumina i fenomeni fisici dominanti che si verificano nella propulsione rapida nei letti di grano".
"La ricerca è di cruciale importanza per applicazioni come la pianificazione del percorso e la progettazione ottimale del locomotore per il terrestre, oltre che extraterrestre, applicazioni, come Marte e rover lunari, " aggiunge Kamrin. "Anche se questo studio si concentra specificamente sui materiali granulari, fornisce un modello per lo sviluppo di un simile rapido, modelli di ordine ridotto per altre classi di materiali come fanghi e fanghi."
