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# 物理学# ソフト物性

顆粒材料の老化特性

粒状材料がストレスや流動条件下でどう変化するかを調べてる。

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応力下の粒状材料の挙動応力下の粒状材料の挙動粒状材料の老化と摩擦の調査。
目次

粒状材料は、つながっていない多くの小さな固体粒子でできていて、摩擦を通じてお互いにやり取りすることができるんだ。砂や穀物みたいなこれらの材料は、粒子が大きすぎて熱の動きがないと考えられがち。でも、この特性が流れているときや変形しているときにユニークな挙動を生むんだ。

粒状材料が流れるとき、固体みたいに荷重を保持したり、液体みたいに流れたりする2つの状態がある。固体的な挙動から液体的な流れに変わるポイントを「降伏応力」って呼ぶんだ。この降伏応力は、材料の準備方法や履歴によって変わるから、固定的な性質じゃないんだよ。

いくつかの実験では、粒状材料が流れることを許可してから流れを止めると、粒子の配置が時間とともにゆっくり変わることに気づいたんだ。これを「エイジング」って呼んで、流れが再開されたときの材料の挙動に影響する。例えば、異なる条件でガラスビーズに一定の力をかけると、粒子の配置や互いに作用する力によって時間が経つにつれて強くなることがあるんだ。

この研究は、流れを止めてから再開すると、粒子間の摩擦が増加することを示している。摩擦の増加は、粒子がストレスの下でゆっくり移動し、位置を適応させることに関連していることがわかった。このエイジングは温度によって影響されることが判明していて、高温だとエイジングが早く進むんだ。これは他の材料でも見られる現象だよ。

重要なアイデアの一つは、粒状材料が流れるようにしてから短時間流れを止めると、構造を維持できること。これにより、材料が再び流れ始めるときに起こる通常の変化なしにエイジングを研究できるんだ。特に、降伏応力の少し下で小さい力をかけると、材料は流動構成を維持することができる。流れが再開すると、摩擦応答は止まったところから正確に続くんだ。

別のシナリオでは、流れが止まっているときに応力が完全または部分的に取り除かれると、構造が崩れるんだ。応力チェーンが失敗し、流れを再開する際には新しい配置が形成される必要がある。これが、材料の反応の仕方に変化をもたらすことになるんだ。

粒状材料の粒子が小さい粒子のようにランダムに動かない大きさであっても、互いに接触することから摩擦が時間とともに増加することがあるんだ。以前の研究では、この種の摩擦エイジングが多くの異なる材料で観察されていて、粒状のものだけじゃないんだ。

このエイジングがどう働くかを確認するために、材料を一定の状態でしばらく保持してからせん断力をかける実験が行われている。この力がかかると摩擦のスパイクが起こり、その後再び安定する。このスパイクの高さは保持時間が長くなるにつれて増加し、長い時間が強い摩擦につながることを示している。

この研究では、さまざまな温度で行われた実験が含まれていて、高温が摩擦強度の増加を早めることが強調されている。結果は、これらの材料におけるエイジングと緩和に影響を与える基本的なプロセスが似ていて、材料内の熱運動に影響される可能性があることを示唆している。

応力の緩和も重要な側面なんだ。粒状材料に一定の変形がかけられると、材料内に蓄積される応力が時間とともに変化し、対数的なパターンを示すんだ。これは、材料が変形や経年の履歴を反映した挙動を示すことを示しているんだ。

粒状材料と他のシステムの挙動を比較すると、興味深い類似点が現れるんだ。例えば、固体同士の摩擦の研究では、粒状材料で観察されたエイジング挙動がストレスのかかった固体材料でも見られることがあるんだ。

粒状材料がどのようにエイジングや緩和をするかを理解することは、自然や産業の多くのプロセスに洞察を提供するんだ。粒状材料は、土砂崩れのような自然災害から、穀物や砂の加工のような産業応用まで、日常生活の中で重要な役割を果たしているんだ。

全体的に、この研究は粒状材料が様々な条件下でどのように安定を保つか、そして熱的プロセスがその挙動にどのように寄与するかを明らかにしているんだ。これらの材料がストレスやエイジングにどのように反応するかを isolate することで、その特性をより深く理解し、さまざまな分野での応用を改善できる可能性があるんだ。

今後の調査が続くことで、観察された挙動をより詳細に説明するモデルが開発され、粒状材料の複雑さをさらに理解できるようになるかもしれないんだ。これが摩擦特性の理解を広め、科学と産業の両方での進展につながる可能性があるんだよ。

オリジナルソース

タイトル: Thermal properties of athermal granular materials

概要: Dry granular materials consist of a vast ensemble of discrete solid particles, interacting through complex frictional forces at the contact points. The particles are so large that these systems are believed to be completely athermal. Here, we arrest the dynamics of a flowing granular material in a steady-state flow configuration, enabling an isolated examination of aging at the particle contacts without granular rearrangements. Our findings reveal that the evolution of interparticle forces within the arrested athermal granular network results in the spontaneous increase of the system's yield stress. This strengthening process is logarithmic in time with a rate that depends on temperature. We demonstrate that the material's stress relaxation exhibits similar time- and temperature-dependent behavior, suggesting a shared origin for aging and stress relaxation in these systems governed by thermal molecular processes at the scale of the grain contacts.

著者: Kasra Farain, Daniel Bonn

最終更新: 2024-01-15 00:00:00

言語: English

ソースURL: https://arxiv.org/abs/2307.02999

ソースPDF: https://arxiv.org/pdf/2307.02999

ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。

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