Физика взаимосвязи между сцеплением и эрозией
Представлено новое исследование, в котором изучается, как сцепление между частицами может влиять на начало эрозии. Используя недавно разработанный метод, который позволяет контролировать сцепление между модельными зернами, а затем проводя эксперименты, в которых использовали струю воздуха для смещения зерен, лучше понять сцепление, которое удерживает частицы вместе; эрозию, из-за которой они разъединяются; и транспорт, который включает в себя то, как далеко перемещаются смещенные частицы.
В экспериментах использовали сферические стеклянные шарики, покрытые полимером. Зерна в верхней части имеют очень тонкую оболочку и не связаны; те, что внизу, имеют гораздо более толстое покрытие и являются связными. Предоставлено: Калифорнийский университет в Санта-Барбаре.
Оползни являются одним из ярких примеров эрозии. Когда связи, удерживающие частицы грязи и камня вместе, подавляются силой (часто в форме воды), достаточной для того, чтобы разъединить камень и почву, эта же сила разрывает связи с другими камнями и почвой, удерживающие их на месте. Другой тип эрозии заключается в использовании небольшой струи воздуха для удаления пыли с поверхности. Когда сила турбулентного воздуха достаточно сильна, чтобы разорвать связи, которые удерживают отдельные частицы пыли или зерна вместе, и заставить их прилипнуть к поверхности, это тоже эрозия.
В фармацевтической промышленности динамика сцепления / эрозии чрезвычайно важна для успешной обработки порошков для изготовления лекарств. Они также играют ключевую роль в другом, довольно отдаленном примере: посадке космического корабля на поверхность, например на Луну. Когда космический корабль снижается, выхлопы его двигателей вызывают эрозию гранулированного материала на поверхности и его транспортировку. Смещенный материал образует кратер, который должен быть правильного размера; слишком узкая или слишком глубокая, и это приведет к опрокидыванию космического корабля.
Мы часто сталкиваемся с разделенными материалами, состоящими из мелких частиц — песка на пляже, почвы, снега и пыли, — на которые могут влиять не только силы трения, но и некоторые дополнительные силы сцепления со своими соседями. Хотя сцепление действует только между частицей и ее непосредственными соседями, оно также вызывает макроскопические эффекты; например, вызывая агрегацию разделенных кусочков материала и добавляя композиту дополнительную прочность. Сплоченность — это то, что заставляет порошки, такие как мука, слипаться и позволяет нам строить замки на пляже, добавляя небольшое количество воды в сухой песок.
Альбан Соре, доцент кафедры машиностроения Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, очень интересуется этими процессами. Опубликовано в журнале Physical Review Fluids, его группа, в том числе первокурсник доктора философии. студент Рам Шарма и его коллеги из Франции представляют новое исследование, в котором изучается, как сцепление между частицами может влиять на начало эрозии. Используя недавно разработанный метод, который позволяет им контролировать сцепление между модельными зернами, а затем проводя эксперименты, в которых они использовали струю воздуха для смещения зерен, они смогли лучше понять сцепление, которое удерживает частицы вместе; эрозия, из-за которой они разъединяются; и транспорт, который включает в себя то, как далеко перемещаются смещенные частицы.
Сопло (вверху) создает турбулентный поток воздуха, который прерывает сцепление между частицами (внизу) и поверхностью, что приводит к эрозии и переносу частиц. Предоставлено: Калифорнийский университет в Санта-Барбаре.
Исследование предлагает подход для количественной оценки того, как величина сцепления изменяет величину местного напряжения, необходимого для начала эрозии. Это понимание можно использовать в гражданском строительстве, скажем, для измерения прочности и устойчивости грунта в районе, где планируется строительство. Но исследователи также надеются, что их модель предоставит эмпирические доказательства физической теории эрозии, которая включает сцепление и имеет отношение к широкому спектру приложений, от удаления пыли с солнечных панелей (пыль может снизить производство энергии на целых 40%) для посадки ракет на другие планеты.
При наличии внешних сил, таких как ветер или вода, сцепление между частицами может быть преодолено. Начало эрозии относится к точке, в которой сила сопротивления, создаваемая жидкостью или воздухом, заставляет частицы терять контакт с зернистым слоем, отделяясь как друг от друга как соседи, так и от поверхности, к которой они прилипают. Это отражает наше довольно элементарное современное понимание эрозии: если локальные внешние силы, действующие на частицу, больше, чем силы, удерживающие ее на месте, она разрушается — иначе говоря, она смещается.
Поскольку жидкости или воздух создают большие напряжения, например, двигаясь достаточно быстро, чтобы превратиться в турбулентные потоки, они могут вызвать большую эрозию. Чрезвычайно широкий спектр конфигураций турбулентных потоков, воздействующих на столь же широкий спектр материалов, приводит к эрозии, которую мы наблюдаем на макроуровне в виде огромных каньонов, истертых в течение тысячелетий бурными реками, и гигантских песчаных дюн, имеющих форму турбулентными воздушными потоками. Удивительно, но учитывая, что эрозия управляет циклом наносов и постоянно изменяет форму поверхности Земли, нынешнее понимание эрозионных сил неадекватно для объяснения богатого разнообразия образующихся форм рельефа.
В то время как эрозия несвязных зерен может быть удовлетворительно предсказана, взаимодействие между турбулентными потоками и эрозией при наличии сцепления между частицами недостаточно изучено. Но это заслуживает изучения, говорит Соре, потому что «Сплоченность повсюду! Если вы моделируете что-то столь же простое, как, например, как очистить поверхность, и ваша модель неправильно учитывает сцепление, вы, вероятно, в конечном итоге примете неправильный подход. — и все еще иметь грязную поверхность ».
Адъюнкт-профессор Албан Соре и аспирант Рам Шарма в лаборатории с экспериментальной установкой позади них. Предоставлено: Калифорнийский университет в Санта-Барбаре.
Чтобы контролировать сцепление между частицами, исследователи нанесли полимерное покрытие на идентичные стеклянные сферы (аналог частиц) диаметром 0,8 миллиметра. Толщина покрытия может быть увеличена или уменьшена именно для увеличения или уменьшения сцепления. Турбулентный поток моделируется переменной струей воздуха, направленной на зернистый слой.
Эксперименты позволили команде определить закон масштабирования для порога, при котором эрозия преодолевает сцепление между частицами, независимо от специфики системы, например размера частиц. Путем количественной оценки взаимосвязи между этими двумя силами исследование представляет метод, который можно использовать для прогнозирования порога эрозии для различных размеров зерен.
По словам Соре, результаты этого исследования могут быть непосредственно применены к процессу удаления связанных отложений, таких как пыль и снег, с таких поверхностей, как солнечные панели.
