Международная группа исследователей, сотрудничающих с Университетом Дьюка, разработала новый способ измерения сил внутри таких материалов, как песок, почва или снег под давлением.Описанный в выпуске Nature Communications от 5 марта, метод использует лазеры в сочетании с датчиками силы, цифровыми камерами и передовыми компьютерными алгоритмами, чтобы заглядывать внутрь и измерять силы между соседними частицами в трехмерном пространстве.Новый подход позволит исследователям лучше понять такие явления, как заклинивание бункеров для зерна или ранние признаки землетрясений и лавин, сказал соавтор исследования Николя Броду, ныне работающий во французском институте Inria.
Будь то следы на песке или сила тяжести на горном склоне, физики давно пытались понять, что происходит внутри гранулированных материалов, когда они сжимаются, толкаются или сжимаются.На протяжении веков на этот простой вопрос было удивительно трудно ответить. Но в последнее время, благодаря достижениям в технологиях создания трехмерных изображений и вычислительной мощности компьютеров, исследователи начинают лучше понимать, что происходит, когда гранулированные материалы, такие как почва или снег, сталкиваются вместе.
Броду вместе с физиками Робертом Берингером из Университета Дьюка и Джошуа Дийксманом из Университета Вагенингена в Нидерландах описывают, как они используют простые инструменты для измерения сети сил, распространяющейся от одной частицы к другой.Исследователи используют раствор из сотен полупрозрачных шариков гидрогеля в коробке из оргстекла для имитации таких материалов, как почва, песок или снег.Поршень многократно нажимает на шарики в коробке, в то время как лист лазерного света сканирует коробку, а камера делает серию изображений поперечного сечения освещенных участков.
Подобно сканированию МРТ, используемому в медицине, этот метод работает путем преобразования этих «срезов» поперечного сечения в трехмерное изображение.Специально разработанное программное обеспечение для обработки изображений объединяет сотни тысяч двумерных изображений вместе, чтобы реконструировать поверхность каждой отдельной частицы в трех измерениях с течением времени. Измеряя крошечные деформации частиц, когда они сжимаются вместе, исследователи могут рассчитать силы между ними.Новый подход поможет исследователям лучше понять ряд природных и антропогенных опасностей, например, почему фермеры, входящие в зернохранилища, иногда испытывают эффект зыбучих песков и внезапно оказываются затянутыми.
«Это дает нам надежду понять, что происходит при таких стихийных бедствиях, как оползень, когда утрамбованный грунт и камни на горе становятся рыхлыми и скатываются вниз», — сказал Броду. «Сначала он действует как твердое тело, а затем по причинам, которых физики не полностью понимают, он внезапно дестабилизируется и начинает течь как жидкость. Этот переход от твердого тела к жидкости можно понять, только если вы знаете, что происходит внутри почва."Команда уже использовала результаты своей методики для создания новой модели поведения твердых частиц, которая одновременно опубликована в журнале Physical Review E.