Forskning afslører en hemmelighed, der deles af kometer og sandkrabber

Forskere ved Nagoya University rapporterer en mekanisk forbindelse mellem sandkrabbegravebredder og bredder af kometgruber ved hjælp af et simpelt granulært eksperiment.

Huller på en sandstrand i nærheden af ​​kystlinjen er ofte indgange til sandkrabbegrave (fig. 1). Det er slående, at hulernes størrelser (indgangsdiametre) har en typisk værdi (ca. 2 til 3 cm). I øvrigt, der er ingen brede indgange (f.eks. 10 cm i diameter). Hvorfor graver krabber kun smalle huler? Selvfølgelig, Krabbens størrelse er én faktor – den behøver ikke en stor hule, hvis dens rygskjold er lille. Imidlertid, mange typer krabber er meget større end sandkrabber - hvorfor graver de ikke huler i strandsandet, også?

En anden faktor skal være på arbejde. Måske er størrelsen af ​​sandkrabbegrave bestemt af den mekaniske begrænsning af substratet:vådt sand. Denne simple idé var undersøgelsens udgangspunkt. Forskerne undersøgte stabiliteten og styrken af ​​hullignende strukturer ved hjælp af et forenklet modelsystem. På samme tid, de indså, at tomrummet (eller hul) strukturen i sammenhængende granulært stof er allestedsnærværende; for eksempel, det er kendt, at der findes hulrum i kometer.

I øvrigt, det er også kendt, at hulrum kan være tilbøjelige til at kollapse. Derfor, et simpelt modelsystem kunne være nyttigt til at forklare en række naturlige void-kollaps-fænomener, inklusive dem, der findes på kometer.

Ved blot at komprimere en vandret tunnelstruktur i et vådt granulært lag fremstillet ved at blande vand og glasperler (fig. 2), forskerne observerede tre deformationstilstande:(i) krympning uden kollaps; (ii) krympning med kollaps, men ingen nedsynkning; og (iii) kollaps med indsynkning. Mode (i) kan observeres, når den oprindelige tunneldiameter er tilstrækkelig lille. Når den oprindelige tunneldiameter øges, deformationstilstanden bliver ustabil. Den belastede tunnelstruktur oplever derefter type (ii) eller (iii) kollaps afhængigt af de eksperimentelle forhold (initial tunneldiameter og kornstørrelse). Vi fandt ud af, at grænsen mellem (i) og (ii, iii) er ca. 5 cm i diameter. Rent faktisk, denne værdi er ret tæt på den øvre grænse for krabbegravestørrelser fundet i marken. Denne korrespondance antyder, at krabber laver relativt smalle (lille diameter) huler for at forhindre sammenbrudsfaren - de skal være smarte!

Ud over, gennem systematiske eksperimenter, forskerne definerede og målte styrken af ​​en tunnelstruktur i vådt granulært stof. Det målte resultat var grundlæggende i overensstemmelse med lignende tidligere undersøgelser af våd granulatmekanik.

Ved at bruge de opnåede styrkeværdier, forskerne estimerede også den nedre grænse for størrelsen af ​​grubestrukturer fundet på overfladen af ​​kometer. De fokuserede på kometoverflader dækket med pitstrukturer, hvis sandsynlige oprindelse er sammenbrud af hulrum på grund af sublimering af flygtige materialer inde i kometen. Overfladen af ​​en typisk komet består af en blanding af is og faste partikler. Denne type blanding er også en slags typisk sammenhængende granulært stof, ligesom det våde granulære stof, der blev brugt i eksperimentet.

Da et lille hulrum vil krympe og ikke kollapse, små gruber er usandsynligt at blive skabt af et tomrum, der kollapser under overfladen. Ja, målte værdier af gruber på kometoverflader ser ud til at have en nedre grænse.

Ved at kombinere alle eksperimentelle resultater og observationsinformation (overfladematerialestyrke og gravitationsacceleration, der er væsentligt forskellige fra jordmateriale), forskerne bekræftede, at shrink-collapse-grænsemodellen er nogenlunde i overensstemmelse med den observerede nedre grænse for størrelsen af ​​kometgrubestrukturer. Forsøget er opsummeret i fig. 3.

I denne eksperimentelle undersøgelse, modelsystemet var ekstremt forenklet. Selvom forskerne mener, at den væsentlige opførsel af tunnelstruktur i sammenhængende granulært lag blev korrekt forstået i undersøgelsen, Der kræves meget mere realistiske eksperimenter for at adressere de specifikke detaljer. For én ting, størrelsestærsklerne kan afhænge af kornformen. Ud over, yderligere krabbeundersøgelser på området ville forbedre forståelsen af ​​krabbegrave. Desuden, denne type hulrumssammenbrud i sammenhængende granulært stof kunne være mere universel end hidtil antaget. Forskerne foreslår at overveje bredere anvendelser. For eksempel, i november 2016, en vej i Fukuoka by i det sydlige Japan kollapsede pludseligt. Dette repræsenterer også en type kollapsfare for et hulrum i et sammenhængende granulært lag. Det er, resultaterne kan være relevante for katastrofeforebyggende teknikker, såvel.