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Comment pousser, remuer ou percer un objet dans le sable

Pousser une pelle dans la neige. patauger dans une fosse à balles et conduire sur du gravier ont tous une selected en commun  : ce sont tous des exercices d’intrusion, avec un objet intrus exerçant une certaine pressure pour se déplacer à travers un sol mou et Matériel granuleux.

Prédire ce qu’il faut pour traverser le sable, le gravier ou d’autres supports souples peut aider les ingénieurs à conduire un rover sur le sol martien, à ancrer un navire dans une mer agitée et à guider un robotic dans le sable et la boue. Mais la modélisation des forces impliquées dans de tels processus est un énorme défi informatique qui prend souvent des jours, voire des semaines à résoudre.

Aujourd’hui., remuer et percer un objet à travers un matériau granulaire en temps réel. et ne nécessite pas d’outils de calcul complexes comme le font d’autres méthodes.

déclare Ken Kamrin, professeur de génie mécanique au MIT.

qui ne peuvent pas attendre que les méthodes de simulation plus lentes existantes décident de leur trajectoire”, ajoute Shashank Agarwal SM ’19, PhD. ’22.

Kamrin et Agarwal détaillent leur nouvelle méthode dans une étude parue cette semaine dans la revue Actes de la Nationwide Academy of Sciences. L’étude comprend également Daniel I. Goldman, professeur de physique à Georgia Tech.

Une connexion fluide

d’une manière qui peut réduire un problème de plusieurs semaines à des jours, voire des heures.

“Nous voulions voir si nous pouvions faire encore mieux que cela et réduire ce processus à quelques secondes”, déclare Agarwal.

L’équipe s’est penchée sur les travaux antérieurs de Goldman. En 2014, il étudiait comment les animaux et les robots se déplacent à travers des matériaux secs et granuleux tels que le sable et le sol. En cherchant des moyens de décrire quantitativement leurs mouvements.

La formulation, la théorie de la force résistive (RFT), fonctionne en considérant la surface area d’un objet comme un ensemble de petites plaques. (Imaginez représenter une sphère comme un ballon de football.) Lorsqu’un objet se déplace dans un fluide, chaque plaque subit une force, et RFT affirme que la pressure sur chaque plaque dépend uniquement de son orientation et de son mouvement locaux. L’équation prend tout cela en compte, ainsi que les caractéristiques individuelles du fluide, pour finalement décrire remark l’objet dans son ensemble se déplace à travers un fluide.

Étonnamment. Moreover précisément, il a prédit les forces exercées par les lézards et les serpents pour se glisser dans le sable, ainsi que la façon dont les petits robots à pattes marchent sur le sol. La issue, dit Kamrin, était pourquoi ?

“C’était ce mystère étrange pourquoi cette théorie, qui a été dérivée à l’origine pour se déplacer à travers un fluide visqueux, fonctionnerait même du tout dans des milieux granulaires, qui ont un comportement d’écoulement complètement différent”, dit-il.

Kamrin a examiné de moreover près les mathématiques et a trouvé un lien entre RFT et un modèle de continuum qu’il avait dérivé pour décrire le flux granulaire. En d’autres termes, la physique a été vérifiée et la RFT pourrait en effet être un moyen précis de prédire l’écoulement granulaire. Mais il y avait une grosse limitation.

Pour modéliser l’intrusion à l’aide de RFT, il faut savoir ce qui se passera si l’on déplace une plaque dans tous les sens possibles – une tâche gérable en deux proportions, mais pas en trois. L’équipe avait alors besoin d’un raccourci pour simplifier la complexité de la 3D.

Torsion farfelue

Dans leur nouvelle étude. Cet ingrédient est l’angle de torsion d’une plaque, mesurant comment l’orientation de la plaque alter lorsque l’objet entier est tourné. Lorsqu’ils ont incorporé cet angle supplémentaire, en in addition de l’inclinaison et de la direction du mouvement d’une plaque, l’équipe disposait de suffisamment d’informations pour définir la force agissant sur la plaque lorsqu’elle se déplace à travers un matériau en 3D. Surtout, en exploitant la connexion à la modélisation du continuum. et même sur d’autres corps planétaires.

Les chercheurs ont démontré la nouvelle méthode en utilisant une variété d’objets tridimensionnels. Ils ont d’abord carrelé les objets, les représentant chacun comme une selection de centaines à des milliers de petites assiettes. Ensuite. et finalement l’objet entier, à travers un lit de sable.

“Pour des objets additionally farfelus. vous pouvez imaginer devoir constamment déplacer vos fees pour continuer à le percer”, explique Kamrin. “Et notre méthode peut même prédire ces petits tremblements. en moins d’une minute.”

de la conduite d’un rover à travers le sol martien, à la caractérisation du mouvement des animaux à travers le sable, et même à la prédiction de ce qu’il faudrait pour déraciner un arbre.

“Puis-je prédire à quel point il est difficile de déraciner des plantes naturelles ? Vous voudrez peut-être savoir si cette tempête va renverser cet arbre ?” dit Kamrine.”

Cette recherche a été soutenue, en partie, par le Military Investigation Business, le US Military DEVCOM Floor Vehicle Methods Middle et la NASA.