Sequenz des Aufpralls des Projektils in einem granularen Medium aus Mikrokugeln.
© Y. Bertho
Im Gegensatz zu Flüssigkeiten und Festkörpern wird das mechanische Verhalten granularer Medien nicht durch gut etablierte physikalische Gesetze bestimmt. Zahlreiche Disziplinen benötigen jedoch Vorhersagen darüber, wie ein Projektil in Böden und Materialien aus Körnern, wie Sand, Kies, Pulver oder Getreide in Silos, eindringen wird. Die Anwendungen reichen von der InSight-Mission, die die Temperatur des Marsbodens bis in fünf Meter Tiefe untersuchen soll, bis zu Wiederaufforstungsbemühungen durch das Abwerfen von Samen aus Flugzeugen oder Hubschraubern.
Es gibt zwei Szenarien, je nachdem, ob sich das Projektil während seiner Bewegung dreht oder nicht. Forscher des Labors Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques (FAST, CNRS/Université Paris-Saclay) und der Staatlichen Universität von Campinas (UNICAMP, Brasilien) haben gezeigt, dass bei gleicher Fallgeschwindigkeit ein sich schneller drehendes Projektil tiefer in ein granularen Medium eindringt.
Sie haben die Effizienz dieses Manövers anhand eines Verhältnisses zwischen Drehgeschwindigkeit und Aufprallgeschwindigkeit quantifiziert. In den untersuchten Geschwindigkeitsbereichen tauchen die Projektile bei Rotation bis zu 15 % tiefer ein. Dies ist der erste echte Nachweis, dass die Rotation das Eindringen in den Boden begünstigt.
Die Wissenschaftler nutzten dazu ein experimentelles Setup, bei dem ein kugelförmiges Projektil mit kontrollierter Geschwindigkeit aus verschiedenen Fallhöhen auf Millimeter-Glaskugeln trifft. Diese befinden sich in einem rotierenden Behälter, da es viel einfacher ist, die Rotation des granularen Mediums zu kontrollieren als die des Projektils, das sonst möglicherweise nicht mehr gerade fliegen würde.
Die Forscher blieben in Geschwindigkeitsbereichen, die ausreichten, um die Kugeln an Ort und Stelle zu halten, was bedeutet, dass es keine Unterschiede in den mechanischen Kräften gibt, je nachdem, ob sich das granulare Medium oder das Projektil dreht. So entdeckten sie, dass während des Eindringens die Rotation die Fluidisation des granularen Mediums um das Projektil fördert. Dies verringert den Druck unter dem Projektil, das somit leichter eindringen kann.
Die Forscher entwickelten ein physikalisches Modell, das die Eindringtiefe des Projektils in Abhängigkeit von seiner Fallgeschwindigkeit und der Rotation des granularen Mediums vorhersagen kann. Derzeit versuchen sie, die Morphologie der durch solche Aufpralle erzeugten Krater und die Auswurfbahn der Körner zu modellieren.
Referenzen:
Penetration of a spinning sphere impacting a granular medium.
D. D. Carvalho, Y. Bertho, E. M. Franklin, and A. Seguin.
Phys. Rev. E 109, 054902 (2024).
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.109.054902.
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