Universelle love i støddynamik for støvagglomerater under mikrotyngdekraftsforhold

Et samarbejde mellem Nagoya University og TU Braunschweig finder bevis på, at når projektiler rammer bløde klumper af støv eller hårde klumper af løse glasperler, skaleringslovene for energidissipation og energioverførsel er de samme i hvert tilfælde. Dette hjælper med at forstå, hvordan granulære klumper klæber sammen, og hvordan planeter dannes.

Granulære klynger er almindelige fænomener - mens man laver en kage i køkkenet, mel danner klumper. Porøse støvagglomerater, som er klumper af klumper af støvkorn, anses for at være byggematerialer i dannelsen af ​​planeter. Men for at afsløre, hvordan planeter dannes, den fysiske opførsel af disse støvklumper skal forstås korrekt. I særdeleshed, deres reaktion, når de bliver ramt af projektiler, er nøglen, fordi de forhold, der forårsager stød-induceret klæbning, hoppende, brud, og så videre, skal være kendt for at kunne etablere en plausibel planetdannelsesmodel. Da de porøse støvagglomerater kan betragtes som granuleret stof, de grundlæggende fysiske egenskaber af granuleret stof er afgørende for konstruktionen af ​​modellen. En tilgang til at lære om granulær påvirkningsdynamik relateret til planetdannelsesprocessen er ved direkte observation - dvs. udfører eksperimenter på Jorden, der simulerer rummiljøet.

Hiroaki Katsuragi, en granulær fysikekspert fra Nagoya University, og Jürgen Blum fra Technische Universität Braunschweig har gjort netop det. Blum har konstrueret et faldtårn, hvor mikrotyngdekraft og vakuumforhold opnås for at efterligne miljøet i rummet (Figur 1, venstre). De affyrede plastik, bly- og glasprojektiler af varierende størrelse ved bløde og skrøbelige støvklumper, såvel som på løs, tætte klumper af relativt stive glasperler. Holdet analyserede derefter omhyggeligt den påvirkningsinducerede udvidelse (Figur 1, højre) og fundet beviser for universel energioverførsel og -dissipationsskaleringslove. Ud over, holdet fandt, at skaleringslovene ikke kun gælder for de porøse agglomeratklynger, men også for de tætte glasperleklynger.

Katsuragi, forklarer:"Resultatet er nyttigt til en dyb forståelse af planetdannelsesprocessen. Samtidig, vi er overraskede over overensstemmelsen mellem ekspansionsdynamikken mellem porøse (skrøbelige) klynger og tætte (stive) klynger. Rent faktisk, de porøse klynger består af bittesmå pulverkorn klumpet sammen, og disse klynger af mange størrelser er selv klynget sammen. Vi fandt ud af, at denne type hierarkisk struktur ikke påvirker den indvirkningsinducerede dynamik."

Denne undersøgelse forbinder fysikken om planetdannelse og klumpdannelse gennem mikrogravitationseksperimentet. Droptårnet, der blev brugt i undersøgelsen, er unikt ved, at kortvarige påvirkningseksperimenter let kan gentages til lave omkostninger. Det tværfaglige samarbejdsteam er også unikt. Hiroaki Katsuragi er en granulær fysiker og Jürgen Blum er en planetfysiker og deler begge det fælles mål om at forstå virkningen af ​​porøst og tæt granulært stof.

Katsuragi siger, "Vi er alle bekendt med klumper af pulver:de dannes, når vi laver en kage med mel. Ikke desto mindre, Klumpernes fysik – af hierarkisk granulært stof – er hidtil ikke blevet undersøgt godt. Denne undersøgelse kunne åbne op for en ny forskningsretning i fysikken af ​​granulært stof."