Des scientifiques et des ingénieurs du MIT et de Georgia Tech permettent une modélisation en temps quasi réel des roues, bandes de roulement de réservoir, et les animaux du désert voyageant à grande vitesse sur des terrains sablonneux. "Théorie de la force résistive dynamique, " ou modélisation DRFT, illustré ici, fournit un modèle pour une modélisation granulaire plus rapide - et un chemin pour aider à concevoir de meilleurs véhicules dans le désert, et Mars et les rovers lunaires. Crédit :Ken Kamrin et Shashank Agarwal, Massachusetts Institute of Technology; et Daniel Goldman et Andras Karsai, Géorgie Tech
Matériaux granulaires, comme le sable et le gravier, sont une classe intéressante de matériaux. Ils peuvent afficher solide, liquide, et propriétés de type gazeux, selon le scénario. Mais les choses peuvent se compliquer en cas de locomotion de véhicules à grande vitesse, qui font entrer ces matériaux dans un caractère « triphasé », agissant comme les trois phases fondamentales de la matière en même temps.
Comme indiqué dans le 23 avril, Numéro 2021 de la revue Avancées scientifiques , une équipe d'ingénieurs et de physiciens du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et du Georgia Institute of Technology (GIT) ont proposé un nouveau modèle, Théorie de la force résistive dynamique, ou DRFT, pour permettre la modélisation en temps quasi réel du mouvement à grande vitesse pour des objets de forme arbitraire se déplaçant à travers des supports granulaires.
"Les applications de ce travail incluent la modélisation prédictive des impacts au sol, véhicules tout-terrain, locomotion animale, et les rovers extraterrestres, " note Ken Kamrin, professeur agrégé au Département de génie mécanique du MIT et auteur correspondant de l'étude.
Souvent, les matériaux granulaires sont modélisés grain par grain, mais ce type d'approche peut être une affaire coûteuse et lente. Par exemple, modéliser un litre de sable de plage pendant quelques secondes peut prendre des semaines à traiter sur votre ordinateur portable moyen.
Les chercheurs ont longtemps cherché des moyens plus rapides de modéliser avec précision de tels matériaux - et souvent leur intérêt général se concentre sur la compréhension d'une pièce du puzzle global de la modélisation :la force nette qu'un matériau granulaire comme le sable exerce sur des corps en mouvement plus grands.
"C'est pourquoi, au cours du siècle dernier, scientifiques et ingénieurs ont développé la discipline de la « terramécanique, ' qui aide à prédire les performances des locomotives des véhicules (principalement des roues circulaires et des bandes de roulement de réservoirs) sur des terrains granuleux, comme les déserts, " explique Kamrin. " La majorité des méthodes utilisées dans cette discipline restent de nature empirique avec peu de place pour la personnalisation. DRFT comble cette lacune et permet de modéliser le mouvement d'objets arbitraires se déplaçant à différentes vitesses dans le sable."
DRFT est un effort conjoint entre Kamrin et l'étudiant diplômé Shashank Agarwal (également en génie mécanique au MIT) en collaboration avec Daniel Goldman, Dunn Family Professeur de physique et étudiant diplômé Andras Karsai (tous deux de l'École de physique du GIT).
Des ingénieurs et des physiciens du MIT et de Georgia Tech permettent la modélisation en temps quasi réel des roues, marches, et les animaux du désert voyageant à grande vitesse sur des terrains sablonneux. "Théorie de la force résistive dynamique, " ou DRFT, fournit un chemin vers une modélisation granulaire plus rapide - et aide à la conception de véhicules tout-terrain optimaux, comme Mars et les rovers lunaires. Crédit :Jack Delulio sur Unsplash
L'équipe de recherche a déterré le concept de DRFT après une étude minutieuse d'un modèle de continuum de milieux granulaires, qui, contrairement à l'approche grain par grain, modélise l'écoulement régulier des grains.
Leur analyse du continuum a révélé une formule étendue pour les forces de résistance qui agissent sur les objets en mouvement rapide. Alors que la réponse à la force statique des médias granulaires est déjà connue sous le nom de RFT statique (théorie de la force résistive), La formulation étendue de DRFT comprend deux "effets clés dépendants de la vitesse" lors du calcul de la force sur chaque petit morceau de la surface d'un objet. Une contribution est due à l'effet inertiel d'accélération du milieu granulaire, et l'autre est, comme l'explique Goldman, une "modification structurelle subtile, " en raison des changements de résistance du matériau qui surviennent lorsque le profil granulaire de la surface libre change.
"De façon intéressante, une fois réunis, DRFT capture diverses observations contre-intuitives observées dans la locomotion granulaire, y compris les comportements observés dans la locomotion à roues circulaires et « grousered », locomotion du robot 'c-leg', et peut-être même la locomotion d'animaux du désert comme les lézards à queue de zèbre à grande vitesse, " note Goldman. " En même temps, DRFT éclaire les phénomènes physiques dominants se produisant dans la propulsion rapide dans les lits de grains."
« La recherche est d'une importance cruciale pour des applications telles que la planification de chemin et la conception locomotrice optimale pour les véhicules terrestres, ainsi que des extraterrestres, applications, comme Mars et les rovers lunaires, " ajoute Kamrin. " Bien que cette étude se concentre spécifiquement sur les matériaux granulaires, il fournit un modèle pour le développement rapide similaire, modèles d'ordre réduit pour d'autres classes de matériaux comme les boues et les boues.
