Ученые MIT разгадали секреты поведения песка и кофейных зерен

Учёные из США нашли способ предсказывать поведение гранулированных материалов — от песка до кофейных зёрен.

Традиционно исследования ограничивались двумерными экспериментами, не позволяющими полностью понять поведение материалов. Однако новый метод Массачусетского технологического института (MIT) позволяет проводить детальные эксперименты в 3D, выявляющие, как силы распространяются сквозь гранулированные материалы и как форма зёрен влияет на результаты. Исследование может помочь лучше понять причины оползней и улучшить контроль над потоками гранулированных материалов в промышленности.

Специалисты разработали метод, который позволяет визуализировать напряжения в гранулированном материале при воздействии нагрузок в полностью трёхмерной системе, что значительно точнее отражает реальное поведение материалов.

Гранулы, использованные в исследовании, являются фотоупругими, то есть изменяют свет, проходящий через них, в зависимости от испытываемого напряжения, что позволяет визуализировать изменения напряжений в виде различных цветов и яркости. Используя сочетание фотоупругости для освещения силовых цепей и метод, аналогичный компьютерной томографии, исследователи смогли воссоздать полное 3D-изображение, основанное на серии из 2400 2D-изображений, сделанных во время вращения объекта на 360 градусов.

Метод демонстрирует, как неровные, угловатые зёрна создают более прочный и стабильный материал по сравнению со сферическими. Хотя это и было известно на практике, новая техника позволяет точно показать, почему это происходит, на основе распределения сил. Эксперимент открывает возможности для будущих исследований различных типов зёрен, чтобы определить, какие характеристики наиболее важны для создания стабильных структур.

Применение метода может быть очень широким, включая поведение икры при движении рыбы в воде или помощь в разработке новых типов роботизированных захватов, способных адаптироваться к захвату предметов любой формы.