Kerjasama antara dua penyusup yang bergerak berdampingan dalam media granular

Dalam koloni burung, gerombolan ikan, dan peleton bersepeda, interaksi signifikan terjadi antar individu melalui cairan di sekitarnya. Interaksi ini dipahami dengan baik dalam cairan seperti udara dan air, tapi apa yang terjadi jika benda bergerak melalui sesuatu seperti pasir? Ternyata interaksi serupa terjadi pada material granular (seperti tanah atau pasir) dan memainkan peran penting dalam konteks sehari-hari. Bayangkan bajak yang melintasi lahan pertanian, hewan yang menggali di bawah tanah, akar yang menembus tanah, atau bahkan robot yang menjelajahi permukaan Mars.

Baru-baru ini, kami menemukan penemuan menarik: ketika dua objek, yang kami sebut “penyusup”, bergerak berdampingan melalui material granular, mereka sebenarnya dapat saling membantu dengan mengurangi hambatan yang dihadapi. Efek kooperatif ini ditemukan oleh tim peneliti dari Fakultas Teknik Mesin Universitas Campinas (Unicamp) di Brazil, dan laboratorium FAST, CNRS, dari Universitas Paris-Saclay di Perancis.

Untuk menyelidiki hal ini, kami melakukan percobaan menggunakan benda berbentuk bola yang direndam di dalamnya manik-manik kaca untuk mereplikasi media granular. Tujuannya adalah untuk menarik benda-benda ini dengan kecepatan konstan dan mengukur gaya hambat yang mereka alami saat bergerak melalui butiran. Meskipun penelitian sebelumnya telah mengamati gaya lateral antar benda, tim kami bertanya-tanya apakah bergerak bersama juga dapat mengurangi gaya tersebut. gaya tarik.

Beberapa simulasi numerik menarik yang dilakukan oleh dua peneliti UNICAMP kami, DD Carvalho dan EM Franklin, diterbitkan di dalamnya fisika fluida pada tahun 2022, dia menyarankan bisa, tapi kami ingin mengujinya di dunia nyata.

Apa yang kami temukan sangat menarik: ketika kedua penyusup berdekatan, resistensi pada masing-masing penyusup berkurang secara signifikan, hingga 30% dibandingkan ketika mereka berjauhan. Dan semakin dalam mereka terkubur di dalam material, semakin nyata efeknya. Penjelasannya? Ketika dua benda bergerak berdampingan, pergerakan salah satu benda mengganggu rantai gaya antara butiran di sekitar benda lainnya. Pemutusan kontak butiran ini mengurangi hambatan keseluruhan yang dihadapi oleh setiap benda.

Selain mengamati efek ini, kami juga mengembangkan model semiempiris untuk menggambarkannya. Model ini didasarkan pada gagasan bahwa interaksi antara benda-benda yang sangat dekat akan mengganggu rantai gaya granular ini, sehingga memudahkan benda-benda tersebut untuk bergerak. Penelitian ini sekarang diterbitkan di dalam Cairan Pemeriksaan Fisikmenyoroti aspek dinamika granular yang sebelumnya belum dieksplorasi: gerakan kooperatif dari banyak objek.

Seiring dengan kemajuan penelitian terhadap dinamika ini, hal ini dapat mengarah pada teknologi dan teknik baru untuk menavigasi material granular, di Bumi dan sekitarnya, yang berpotensi memungkinkan solusi yang lebih efisien untuk berbagai industri dan upaya ilmiah.

Cerita ini adalah bagian dari Dialog Sains Xdimana peneliti dapat melaporkan hasil artikel penelitiannya yang dipublikasikan. Kunjungi halaman ini untuk informasi tentang Dialog Sains X dan cara berpartisipasi.

Douglas De Carvalho adalah mahasiswa PhD di Fakultas Teknik Mesin di Universitas Campinas (UNICAMP), Brasil, melakukan simulasi numerik dan eksperimen pada sistem granular. melakukan percobaan yang disajikan dalam artikel ini. Pekerjaan ini diawasi oleh Baptiste Darbois Texier, peneliti di laboratorium Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques (FAST) di Universitas Paris-Saclay. Penelitiannya berfokus pada mekanika media granular dan khususnya pada reologi material dan masalah penggerak dalam konteks ini.