Hurtige rovere, speedy sands:Hurtigsporende terræninteraktionsmodellering

Granulære materialer, såsom sand og grus, er en interessant klasse af materialer. De kan vise solide, væske, og gaslignende egenskaber, afhængig af scenariet. Men tingene kan blive komplicerede i tilfælde af højhastighedskørsel, som får disse materialer til at gå ind i en "trefaset" natur, fungerer som alle tre grundlæggende faser af materien på samme tid.

Som rapporteret i den 23. april, 2021 udgave af tidsskriftet Videnskabens fremskridt , et team af ingeniører og fysikere fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) og Georgia Institute of Technology (GIT) har foreslået en ny model, Dynamisk modstandskraftteori, eller DRFT, at muliggøre nær realtidsmodellering af højhastighedsbevægelse for vilkårligt formede objekter, der bevæger sig gennem granulære medier.

"Ansøgninger til dette arbejde omfatter forudsigende modellering af jordpåvirkninger, terrængående køretøjer, dyrs bevægelse, og udenjordiske rovere, "bemærker Ken Kamrin, lektor i Institut for Maskinteknik på MIT og undersøgelsens tilsvarende forfatter.

Tit, granulerede materialer modelleres korn for korn, men denne type tilgang kan være en dyr og langsom affære. For eksempel, modellering af en liter strandsand i blot et par sekunder kan tage uger at behandle på din gennemsnitlige bærbare computer.

Forskere har længe søgt hurtigere måder at præcist modellere sådanne materialer - og ofte er deres overordnede interesse fokuseret på at forstå en brik i det overordnede modelleringspuslespil:den nettokraft, som et granulært materiale som sand udøver på større bevægelige kroppe.

"Det er derfor, gennem det seneste århundrede, videnskabsmænd og ingeniører har udviklet disciplinen 'terramekanik, 'som hjælper med at forudsige lokomotivydelsen af ​​køretøjer - for det meste cirkulære hjul og tankbaner - i granulære terræn, som ørkener, " Kamrin forklarer. "Størstedelen af ​​de metoder, der bruges i denne disciplin, forbliver empiriske med lidt plads til tilpasning. DRFT udfylder dette hul og giver mulighed for at modellere bevægelsen af ​​vilkårlige objekter, der bevæger sig med forskellige hastigheder i sand."

DRFT er en fælles indsats mellem Kamrin og kandidatstuderende Shashank Agarwal (også fra Mechanical Engineering ved MIT) i samarbejde med Daniel Goldman, Dunn familieprofessor i fysik og kandidatstuderende Andras Karsai (begge fra School of Physics på GIT).

Forskerholdet afslørede konceptet DRFT efter omhyggelig undersøgelse af en kontinuumsmodel af granulære medier, som - i modsætning til korn-for-korn tilgangen - modellerer den jævne strøm af korn.

Deres kontinuumsanalyse afslørede en udvidet formel for de modstandskræfter, der virker på objekter, der bevæger sig hurtigt. Mens den statiske kraftrespons af granulære medier allerede er kendt som statisk RFT (Resistive Force Theory), DRFTs udvidede formulering indeholder to "nøglehastighedsafhængige effekter" ved beregning af kraften på hvert lille stykke af et objekts overflade. Et bidrag skyldes den inertielle effekt af at accelerere de granulære medier, og den anden er, som Goldman forklarer, en "subtil strukturel ændring, "på grund af de ændringer i materialestyrke, der opstår, når den granulerede fri overfladeprofil ændres.

"Interessant nok, når de sættes sammen, DRFT fanger forskellige kontraintuitive observationer observeret i granulær bevægelse, herunder den adfærd, der ses ved cirkulær og 'grousered' hjulbevægelse, 'c-leg' robot-bevægelse, og muligvis endda bevægelsen af ​​ørkendyr som zebrahalefirben ved høje hastigheder, " bemærker Goldman. "På samme tid, DRFT belyser de dominerende fysiske fænomener, der opstår ved hurtig fremdrift i kornbede."

"Forskningen er af afgørende betydning for applikationer som stiplanlægning og optimalt lokomotorisk design for terrestriske, såvel som udenjordiske, applikationer, såsom Mars og måne-rovere, "tilføjer Kamrin." Selvom denne undersøgelse specifikt fokuserer på granulerede materialer, det giver en plan for udvikling af lignende hurtige, reducerede modeller til andre klasser af materialer som mudder og gylle."