Når partikler bevæger sig:Et dybt dyk ned i forholdet mellem sammenhængskraft og erosion

Jordskred er et slående eksempel på erosion. Når bindingerne, der holder partikler af snavs og sten sammen, overvældes af en kraft - ofte i form af vand - der er tilstrækkelig til at trække sten og jord fra hinanden, bryder den samme kraft bindingerne med anden sten og jord, der holder dem på plads. En anden type erosion involverer at bruge en lille luftstråle til at fjerne støv fra en overflade. Når kraften fra den turbulente luft er stærk nok til at bryde bindingerne, der holder de enkelte støvpartikler eller korn sammen og får dem til at klæbe til overfladen, er det også erosion.

I den farmaceutiske industri er kohæsions-/erosionsdynamikken uhyre vigtig for succesfuldt at behandle pulvere til fremstilling af medicin. De spiller også en nøglerolle i et andet, ret fjerntliggende eksempel:at lande et rumfartøj på en overflade, såsom månen. Når rumfartøjet sænker sig, får udstødningen fra dets motorer det granulære materiale på overfladen til at erodere og blive transporteret. Det forskudte materiale danner et krater, som skal have de rigtige dimensioner; for smal eller for dyb, og det vil få rumfartøjet til at vælte.

Vi støder ofte på opdelte materialer, der er sammensat af små partikler – tænk sand på stranden, jord, sne og støv – som kan blive påvirket af mere end blot friktionskræfter, der deler nogle yderligere sammenhængskræfter med deres naboer. Mens samhørighed kun virker mellem en partikel og dens umiddelbare naboer, producerer den også makroskopiske effekter; for eksempel at få opdelte stykker materiale til at samle sig og tilføje yderligere styrke til kompositten. Sammenhængen er det, der får pulvere, såsom mel, til at klumpe og sætter os i stand til at lave slotte på stranden ved at tilføje en lille mængde vand til tørt sand.

Alban Sauret, lektor ved UC Santa Barbara Mechanical Engineering Department, er meget interesseret i disse processer. Udgivet i tidsskriftet Physical Review Fluids , hans gruppe, herunder førsteårs ph.d. studerende Ram Sharma og kolleger i Frankrig, præsenterer ny forskning, der undersøger, hvordan samhørighed mellem partikler kan påvirke begyndelsen af ​​erosion. Ved at bruge en nyudviklet teknik, der giver dem mulighed for at kontrollere sammenhængen mellem modelkorn og derefter køre eksperimenter, hvor de brugte en luftstråle til at fortrænge kornene, var de i stand til at få en bedre forståelse af sammenhængskraften, som holder partikler sammen; erosion, som får dem til at adskilles; og transport, som involverer, hvor langt de fortrængte partikler så rejser.

Forskningen tilbyder en tilgang til at kvantificere, hvordan størrelsen af ​​samhørighed ændrer mængden af ​​lokal stress, der er nødvendig for at starte erosion. Denne forståelse kunne bruges inden for civilingeniør, f.eks. til at måle styrken og stabiliteten af ​​jord i et område, hvor byggeri er planlagt. Men forskerne håber også, at deres model vil give empirisk bevis for en fysisk teori om erosion, der inkluderer kohæsion og er relevant for en bred vifte af applikationer, lige fra at fjerne støv fra solpaneler (støv kan reducere energiproduktionen med så meget som 40 %) til at lande raketter på andre planeter.

I nærvær af eksterne kræfter, såsom fra vind eller vand, kan samhørigheden mellem partikler overvindes. Begyndelsen af ​​erosion refererer til det punkt, hvor modstandskraften, der udøves af væske eller luft, får partikler til at miste kontakten med det granulære leje og bliver adskilt både fra hinanden som naboer og fra overfladen, som de klæber til. Dette fanger vores ret elementære, nuværende forståelse af erosion:Hvis lokale ydre kræfter på en partikel er større end de kræfter, der holder den på plads, eroderer den - en anden måde at sige, at den er forskudt.

Da væsker eller luft påfører større belastninger, såsom ved at bevæge sig hurtigt nok til at blive turbulente strømme, kan de forårsage større erosion. En overordentlig bred vifte af turbulente strømningskonfigurationer, der virker på en lige så bred vifte af materialer, fører til den erosion, vi ser på makroniveau, i form af enorme kløfter, slidt ned gennem evigheder af turbulente floder, og gigantiske klitter, formet ved turbulente luftstrømme. I betragtning af, at erosion driver sedimentcyklussen og konstant omformer Jordens overflade, er den nuværende forståelse af erosionskræfter overraskende nok ikke tilstrækkelig til at forklare det rige udvalg af resulterende landformer.

Mens erosion af ikke-kohæsive korn kan forudsiges tilfredsstillende, er samspillet mellem turbulente strømninger og erosion i nærvær af inter-partikel-kohæsion ikke blevet undersøgt godt. Men det fortjener undersøgelse, siger Sauret, fordi "samhørighed er overalt! Hvis du for eksempel modellerer noget så simpelt som hvordan man rengør en overflade, og din model ikke tager korrekt højde for sammenhængen, vil du sandsynligvis ende med at tage en forkert tilgang -og stadig have en snavset overflade."

For at kontrollere sammenhængen mellem partikler påførte forskerne en polymerbelægning på identiske glaskugler (analog for partikler) med en diameter på 0,8 millimeter. Tykkelsen af ​​belægningen kan øges eller formindskes præcist for at øge eller mindske kohæsion. Den turbulente strømning er modelleret af en variabel luftstråle rettet mod det granulære leje.

Eksperimenterne gjorde det muligt for holdet at bestemme en skaleringslov for den tærskel, hvor erosion overvinder interpartikelsammenhæng, uanset systemets specifikationer, såsom partikelstørrelse. Ved at kvantificere forholdet mellem disse to kræfter præsenterer forskningen en teknik, der kan bruges til at forudsige erosionstærsklen for forskellige størrelser af korn.

Resultaterne af denne undersøgelse, siger Sauret, kan mest direkte anvendes til processen med at fjerne sammenhængende sedimenter, såsom støv og sne, fra overflader som solpaneler. + Udforsk yderligere

Nanopartikler kan redde historiske bygninger lavet af porøs sten