Materiais granulares, como areia e cascalho, são uma classe interessante de materiais. Eles podem ter uma exibição sólida, líquido, e propriedades semelhantes a gás, dependendo do cenário. Mas as coisas podem ficar complicadas em casos de locomoção de veículos em alta velocidade, que fazem com que esses materiais entrem em uma natureza de "fase tripla", agindo como todas as três fases fundamentais da matéria ao mesmo tempo.

Conforme relatado em 23 de abril, Edição de 2021 da revista Avanços da Ciência , uma equipe de engenheiros e físicos do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e do Instituto de Tecnologia da Geórgia (GIT) propôs um novo modelo, Teoria da Força Resistiva Dinâmica, ou DRFT, para permitir a modelagem quase em tempo real de movimento de alta velocidade para objetos de formato arbitrário que se movem através de mídia granular.

"As aplicações para este trabalho incluem a modelagem preditiva de impactos no solo, veículos off-road, locomoção animal, e rovers extraterrestres, "observa Ken Kamrin, professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT e autor correspondente do estudo.

Muitas vezes, materiais granulares são modelados grão a grão, mas esse tipo de abordagem pode ser caro e demorado. Por exemplo, modelar um litro de areia da praia por apenas alguns segundos pode levar semanas para ser processado em um laptop comum.

Os pesquisadores há muito buscam maneiras mais rápidas de modelar com precisão esses materiais - e muitas vezes seu interesse geral está focado em compreender uma peça do quebra-cabeça de modelagem geral:a força resultante que um material granular como a areia exerce sobre corpos em movimento maiores.

"Isso é por que, ao longo do século passado, cientistas e engenheiros desenvolveram a disciplina de 'terramecânica, 'que ajuda a prever o desempenho da locomotiva de veículos - principalmente rodas circulares e esteiras de tanques - em terrenos granulares, como desertos, "Kamrin explica." A maioria dos métodos usados ​​nesta disciplina permanecem de natureza empírica, com pouco espaço para personalização. O DRFT preenche essa lacuna e permite modelar o movimento de objetos arbitrários que se movem em várias velocidades nas areias. "

DRFT é um esforço conjunto entre Kamrin e o estudante de graduação Shashank Agarwal (também de Engenharia Mecânica no MIT) em colaboração com Daniel Goldman, Dunn Family Professor de Física e aluno de pós-graduação Andras Karsai (ambos da Escola de Física do GIT).

A equipe de pesquisa descobriu o conceito de DRFT após um estudo cuidadoso de um modelo contínuo de mídia granular, que - ao contrário da abordagem grão a grão - modela o fluxo suave dos grãos.

Sua análise contínua revelou uma fórmula estendida para as forças resistivas que agem em objetos que se movem rapidamente. Embora a resposta de força estática da mídia granular já seja conhecida como RFT estática (Teoria da Força Resistiva), A formulação estendida do DRFT inclui dois "efeitos dependentes da velocidade chave" ao calcular a força em cada pequeno pedaço da superfície de um objeto. Uma contribuição é devido ao efeito inercial de acelerar a mídia granular, e o outro é, como Goldman explica, uma "modificação estrutural sutil, "devido às mudanças na resistência do material que surgem à medida que o perfil da superfície livre granular muda.

"Interessantemente, quando colocado junto, DRFT captura diversas observações contra-intuitivas observadas na locomoção granular, incluindo os comportamentos vistos na locomoção de roda circular e "grousada", locomoção de robô 'c-leg', e, possivelmente, até mesmo a locomoção de animais do deserto, como lagartos com cauda de zebra em alta velocidade, "Notas de Goldman." Ao mesmo tempo, DRFT ilumina os fenômenos físicos dominantes que ocorrem na propulsão rápida em canteiros de grãos. "

"A pesquisa é de importância crucial para aplicações como planejamento de trajetória e projeto ótimo de locomotor para terrestres, bem como extraterrestre, formulários, como Marte e rovers lunares, "acrescenta Kamrin." Embora este estudo se concentre especificamente em materiais granulares, fornece um plano para o desenvolvimento de rápidos semelhantes, modelos de ordem reduzida para outras classes de materiais, como lamas e lamas. "