Los científicos e ingenieros del MIT y Georgia Tech están permitiendo el modelado de ruedas casi en tiempo real, huellas del tanque, y animales del desierto que viajan a gran velocidad por terrenos arenosos. "Teoría de la fuerza resistiva dinámica, "o modelado DRFT, ilustrado aquí, proporciona un plan para un modelado granular más rápido, y un camino para ayudar a diseñar mejores vehículos en el desierto, y Marte y rovers lunares. Crédito:Ken Kamrin y Shashank Agarwal, Instituto de Tecnología de Massachusetts; y Daniel Goldman y Andras Karsai, Georgia Tech
Materiales granulares, como arena y grava, son una clase interesante de materiales. Pueden mostrarse sólidos, líquido, y propiedades similares al gas, dependiendo del escenario. Pero las cosas pueden complicarse en casos de locomoción de vehículos de alta velocidad, que hacen que estos materiales entren en una naturaleza de "triple fase", actuando como las tres fases fundamentales de la materia al mismo tiempo.
Como se informó en el 23 de abril, Número 2021 de la revista Avances de la ciencia , un equipo de ingenieros y físicos del Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y el Instituto de Tecnología de Georgia (GIT) han propuesto un nuevo modelo, Teoría dinámica de la fuerza resistiva, o DRFT, para permitir el modelado casi en tiempo real de movimiento de alta velocidad para objetos de formas arbitrarias que se mueven a través de medios granulares.
"Las aplicaciones para este trabajo incluyen el modelado predictivo de impactos en el suelo, vehículos todo terreno, locomoción animal, y rovers extraterrestres, "señala Ken Kamrin, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT y autor correspondiente del estudio.
A menudo, los materiales granulares se modelan grano a grano, pero este tipo de enfoque puede resultar costoso y lento. Por ejemplo, modelar un litro de arena de playa durante solo unos segundos puede llevar semanas procesar en su computadora portátil promedio.
Los investigadores han buscado durante mucho tiempo formas más rápidas de modelar con precisión dichos materiales y, a menudo, su interés general se centra en comprender una pieza del rompecabezas de modelado general:la fuerza neta que un material granular como la arena ejerce sobre cuerpos en movimiento más grandes.
"Esta es la razón por, durante el siglo pasado, científicos e ingenieros han desarrollado la disciplina de la terramecánica, ', que ayuda a predecir el rendimiento de las locomotoras de los vehículos, en su mayoría ruedas circulares y huellas de tanques, en terrenos granulares, como desiertos, "Kamrin explica." La mayoría de los métodos utilizados en esta disciplina siguen siendo de naturaleza empírica con poco espacio para la personalización. DRFT llena este vacío y permite modelar el movimiento de objetos arbitrarios que se mueven a varias velocidades en la arena ".
DRFT es un esfuerzo conjunto entre Kamrin y el estudiante graduado Shashank Agarwal (también de Ingeniería Mecánica en MIT) en colaboración con Daniel Goldman, Profesor de Física de la Familia Dunn y estudiante de posgrado Andras Karsai (ambos de la Facultad de Física del GIT).
Los ingenieros y físicos del MIT y Georgia Tech están permitiendo el modelado de ruedas casi en tiempo real, peldaños y animales del desierto que viajan a gran velocidad por terrenos arenosos. "Teoría de la fuerza resistiva dinámica, "o DRFT, proporciona un camino hacia un modelado granular más rápido y ayuda a diseñar vehículos óptimos para terrenos difíciles, como Marte y los rovers lunares. Crédito:Jack Delulio en Unsplash
El equipo de investigación descubrió el concepto de DRFT después de un estudio cuidadoso de un modelo continuo de medios granulares, que, a diferencia del enfoque grano por grano, modela el flujo suave de granos.
Su análisis continuo reveló una fórmula extendida para las fuerzas resistivas que actúan sobre objetos que se mueven rápidamente. Si bien la respuesta de fuerza estática de los medios granulares ya se conoce como RFT estática (teoría de la fuerza resistiva), La formulación extendida de DRFT incluye dos "efectos clave dependientes de la velocidad" al calcular la fuerza en cada pequeña pieza de la superficie de un objeto. Una contribución se debe al efecto inercial de acelerar los medios granulares, y el otro es, como explica Goldman, una "modificación estructural sutil, "debido a los cambios en la resistencia del material que surgen a medida que cambia el perfil de superficie libre granular.
"Curiosamente, cuando se juntan, DRFT captura diversas observaciones contraintuitivas observadas en la locomoción granular, incluyendo los comportamientos observados en la locomoción de las ruedas circulares y 'grousered', locomoción del robot 'c-leg', y posiblemente incluso la locomoción de animales del desierto como lagartijas con cola de cebra a altas velocidades, "Notas Goldman". Al mismo tiempo, DRFT ilumina los fenómenos físicos dominantes que ocurren en la propulsión rápida en los lechos de granos ".
"La investigación es de vital importancia para aplicaciones como la planificación de trayectorias y el diseño de locomotoras óptimas para terrestres, así como extraterrestre, aplicaciones como Marte y vehículos lunares, "añade Kamrin." Si bien este estudio se centra específicamente en materiales granulares, Proporciona un plan para el desarrollo rápido similar, modelos de orden reducido para otras clases de materiales como lodos y lechadas ".
