Propagazione dell'onda di stress attraverso granuloso, o granulare, materiali è importante per rilevare la magnitudo dei terremoti, localizzazione di giacimenti di petrolio e gas, progettazione di isolamenti acustici e progettazione di materiali per la compattazione delle polveri.

Un team di ricercatori guidato da un professore di ingegneria meccanica della Johns Hopkins ha utilizzato misurazioni e analisi dei raggi X per dimostrare che il ridimensionamento e la dispersione della velocità nella trasmissione delle onde si basa su disposizioni di particelle e catene di forza tra di loro, mentre la riduzione dell'intensità delle onde è causata principalmente dalla sola disposizione delle particelle. La ricerca appare nell'edizione del 29 giugno della rivista the Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

"Il nostro studio fornisce una migliore comprensione di come la struttura su scala fine di un materiale granulare sia correlata al comportamento delle onde che si propagano attraverso di essi, " ha detto Ryan Hurley, assistente professore di ingegneria meccanica presso la Johns Hopkins Whiting School of Engineering. "Questa conoscenza è di fondamentale importanza nello studio dei segnali sismici provenienti da frane e terremoti, nella valutazione non distruttiva dei suoli nell'ingegneria civile, e nella fabbricazione di materiali con proprietà ondulatorie desiderate nella scienza dei materiali."

Hurley ha concepito questa ricerca mentre era postdoc al Lawrence Livermore National Laboratory, collaborando con un team che includeva il fisico LLNL Eric Herbold. Gli esperimenti e le analisi sono stati successivamente eseguiti da Hurley e Whiting School postdoc Chongpu Zhai dopo che Hurley si è trasferito alla JHU, con assistenza sperimentale e continue discussioni con Herbold.

Le relazioni struttura-proprietà dei materiali granulari sono governate dalla disposizione delle particelle e dalle catene di forze tra di esse. Queste relazioni consentono la progettazione di materiali di smorzamento delle onde e tecnologie di prova non distruttive. La trasmissione delle onde nei materiali granulari è stata ampiamente studiata e dimostra caratteristiche uniche:scala della velocità della legge di potenza, dispersione e attenuazione (la riduzione dell'ampiezza di un segnale, corrente elettrica, o altra oscillazione).

Ricerche precedenti, risalente alla fine degli anni '50 ha descritto "cosa" potrebbe accadere al materiale sottostante la propagazione delle onde, ma la nuova ricerca fornisce prove del "perché".

"Il nuovo aspetto sperimentale di questo lavoro è l'uso di misurazioni a raggi X in situ per ottenere una struttura di imballaggio, stress particellare e forze interparticellari attraverso un materiale granulare durante la misurazione simultanea della trasmissione degli ultrasuoni, " ha detto Hurley. "Queste misurazioni sono il set di dati più fedele fino ad oggi che studia gli ultrasuoni, forze e struttura in materiali granulari."

"Questi esperimenti, insieme alle simulazioni di supporto, permettono di rivelare perché le velocità delle onde nei materiali granulari cambiano in funzione della pressione e di quantificare gli effetti di particolari fenomeni su scala particellare sul comportamento delle onde macroscopiche, " disse Zhai, che ha guidato gli sforzi di analisi dei dati ed è stato il primo autore di quel documento.

La ricerca fornisce nuove informazioni sulle caratteristiche nel dominio del tempo e della frequenza della propagazione delle onde in materiali granulari impacchettati casualmente, far luce sui meccanismi fondamentali che controllano le velocità delle onde, dispersione e attenuazione in questi sistemi.