Oleh
Peneliti MIT mengembangkan metode yang memungkinkan eksperimen 3D yang dapat mengungkap bagaimana gaya ditransmisikan melalui material granular, dan bagaimana bentuk butiran dapat mengubah hasilnya secara dramatis. Dalam foto ini, partikel fotoelastik 3D menyala dan berubah warna karena beban eksternal. Kredit: Ruben Juanes
Sebuah teknik baru memungkinkan visualisasi kekuatan internal dalam material granular dalam detail tiga dimensi, mengatasi tantangan sebelumnya dalam mengamati perilakunya.
Materi granular, yang terdiri dari potongan-potongan individual, baik butiran pasir, biji kopi, atau kerikil, merupakan bentuk materi padat yang paling melimpah di Bumi. Cara bahan-bahan ini bergerak dan bereaksi terhadap kekuatan eksternal dapat menentukan kapan tanah longsor atau gempa bumi terjadi, serta peristiwa-peristiwa yang lebih biasa seperti bagaimana sereal tersumbat saat dikeluarkan dari kotaknya.
Namun, menganalisis bagaimana peristiwa aliran ini terjadi dan apa yang menentukan hasilnya merupakan sebuah tantangan nyata, dan sebagian besar penelitian terbatas pada eksperimen dua dimensi yang tidak mengungkapkan gambaran lengkap tentang bagaimana perilaku material ini.
Sekarang, para peneliti di DENGAN telah mengembangkan metode yang memungkinkan eksperimen 3D mendetail yang dapat mengungkapkan dengan tepat bagaimana gaya disalurkan melalui material granular, dan bagaimana bentuk butiran dapat mengubah hasilnya secara dramatis. Penelitian baru ini mungkin bisa memberikan cara yang lebih baik untuk memahami bagaimana tanah longsor dipicu, serta bagaimana mengendalikan aliran material granular dalam proses industri. Temuannya dijelaskan dalam jurnal PNAS dalam sebuah makalah oleh profesor teknik sipil dan lingkungan MIT Ruben Juanes dan Wei Li SM ’14, PhD ’19, yang sekarang menjadi staf pengajar di Stony Brook University.
Keberadaan dan Pentingnya Bahan Granular
Dari tanah dan pasir hingga tepung dan gula, bahan granular ada dimana-mana. “Ini adalah barang sehari-hari, dan merupakan bagian dari infrastruktur kami,” kata Li. “Saat kami melakukan eksplorasi luar angkasa, kendaraan luar angkasa kami mendarat di material granular. Dan kegagalan media granular bisa menjadi bencana besar, seperti tanah longsor.”
“Salah satu temuan utama dari penelitian ini adalah kami memberikan penjelasan mikroskopis mengapa sekumpulan partikel bersudut lebih kuat daripada sekumpulan bola,” kata Li.
Juanes menambahkan, “Pada tingkat mendasar, penting untuk memahami respons materi secara keseluruhan. Dan saya dapat melihat bahwa ke depan, hal ini dapat memberikan cara baru untuk membuat prediksi kapan suatu material akan gagal.”
Pemahaman ilmiah terhadap bahan-bahan ini sebenarnya dimulai beberapa dekade yang lalu, jelas Juanes, dengan penemuan cara untuk memodelkan perilakunya menggunakan cakram dua dimensi yang mewakili bagaimana gaya ditransmisikan melalui kumpulan partikel. Meskipun hal ini memberikan wawasan baru yang penting, hal ini juga menghadapi keterbatasan yang parah.
Dalam penelitian sebelumnya, Li mengembangkan cara membuat partikel tiga dimensi melalui teknik pencetakan remas yang menghasilkan partikel plastik yang bebas dari tegangan sisa dan dapat dibuat dalam bentuk apa pun yang tidak beraturan. Sekarang, dalam penelitian terbarunya, dia dan Juanes telah menerapkan metode ini untuk mengungkap tekanan internal pada material granular saat beban diterapkan, dalam sistem tiga dimensi yang jauh lebih akurat mewakili material granular di dunia nyata.
Teknik Pencitraan dan Aplikasi Masa Depan
Partikel-partikel ini bersifat fotoelastik, Juanes menjelaskan, yang berarti bahwa ketika berada di bawah tekanan, mereka mengubah cahaya apa pun yang melewatinya sesuai dengan besarnya tekanan. “Jadi, jika Anda menyinari cahaya terpolarisasi dan memberi tekanan pada material, Anda dapat melihat di mana perubahan tegangan tersebut terjadi secara visual, dalam bentuk warna berbeda dan kecerahan berbeda pada material.”
Bahan-bahan tersebut telah digunakan sejak lama, kata Juanes, namun “salah satu hal utama yang belum pernah dicapai adalah kemampuan untuk menggambarkan tekanan bahan-bahan ini ketika mereka direndam dalam suatu fluida, dimana fluida dapat mengalir melalui cairan tersebut. materi itu sendiri.”
Kemampuan untuk melakukan hal ini adalah penting, tegasnya, karena “media berpori yang diinginkan – media berpori biologis, media berpori industri, dan media berpori geologi – sering kali mengandung cairan di ruang pori-porinya, dan cairan tersebut akan diangkut secara hidrolik melalui pori-pori tersebut. bukaan. Dan kedua fenomena tersebut digabungkan: bagaimana tegangan ditransmisikan dan berapa tekanan fluida pori.”
Masalahnya adalah, ketika menggunakan kumpulan piringan dua dimensi untuk percobaan, piringan tersebut akan dikemas sedemikian rupa sehingga menghalangi cairan sepenuhnya. Hanya dengan butiran bermassa tiga dimensi maka selalu ada jalur aliran fluida, sehingga tegangan dapat dipantau saat fluida bergerak.
Dengan menggunakan metode ini, mereka dapat menunjukkan bahwa “saat Anda mengompres material granular, gaya tersebut ditransmisikan dalam bentuk yang kita sebut rantai, atau filamen, yang dapat divisualisasikan dan digambarkan oleh teknik baru ini dalam tiga dimensi,” kata Juanes.
Untuk mendapatkan tampilan 3D tersebut, mereka menggunakan kombinasi fotoelastisitas untuk menerangi rantai gaya, bersama dengan metode yang disebut computed tomography, mirip dengan yang digunakan dalam CT scan medis, untuk merekonstruksi gambar 3D penuh dari serangkaian 2.400 gambar datar yang diambil. saat benda berputar 360 derajat.
Karena butiran tersebut direndam dalam cairan yang memiliki indeks bias yang sama persis dengan butiran poliuretan itu sendiri, butiran tersebut tidak akan terlihat ketika cahaya menyinari wadahnya jika tidak berada di bawah tekanan. Kemudian, tekanan diterapkan, dan ketika cahaya terpolarisasi disinari, tekanan tersebut terungkap sebagai cahaya dan warna, kata Juanes. “Yang benar-benar luar biasa dan menarik adalah kami tidak mencitrakan medium berpori tersebut. Kami membayangkan gaya yang disalurkan melalui media berpori. Menurut saya, hal ini membuka cara baru untuk menginterogasi perubahan tegangan pada material granular.” Ia menambahkan bahwa “ini benar-benar merupakan impian saya selama bertahun-tahun,” dan menurutnya hal ini terwujud berkat kerja keras Li dalam proyek tersebut.
Dengan menggunakan metode ini, mereka mampu mendemonstrasikan dengan tepat bagaimana butiran yang tidak beraturan dan bersudut menghasilkan material yang lebih kuat dan lebih stabil dibandingkan butiran yang berbentuk bola. Meskipun hal ini diketahui secara empiris, teknik baru ini memungkinkan untuk menunjukkan dengan tepat mengapa hal tersebut terjadi, berdasarkan pada cara gaya didistribusikan, dan akan memungkinkan penelitian di masa depan untuk mempelajari berbagai jenis butiran untuk menentukan dengan tepat karakteristik apa yang ada. paling penting dalam menghasilkan struktur yang stabil, seperti pemberat landasan kereta api atau riprap pada pemecah gelombang.
Karena belum ada cara untuk mengamati rantai gaya 3D pada material tersebut, Juanes mengatakan, “Saat ini sangat sulit untuk membuat prediksi kapan tepatnya tanah longsor akan terjadi, karena kita tidak mengetahui arsitektur gaya tersebut. rantai untuk bahan yang berbeda.”
Perlu waktu untuk mengembangkan metode agar dapat membuat prediksi seperti itu, kata Li, namun hal tersebut pada akhirnya dapat menjadi kontribusi yang signifikan dari teknik baru ini. Dan banyak penerapan lain dari metode ini yang juga mungkin dilakukan, bahkan di area yang tampaknya tidak berhubungan seperti bagaimana telur ikan merespons ketika ikan yang membawanya bergerak di air, atau dalam membantu merancang jenis robot gripper baru yang dapat dengan mudah beradaptasi untuk mengambil benda. dalam bentuk apa pun.
Referensi: “Pencitraan dinamis rantai gaya dalam media granular 3D” oleh Wei Li dan Ruben Juanes, 25 Maret 2024, Prosiding Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional.
DOI: 10.1073/pnas.2319160121
Pekerjaan ini didukung oleh US National Science Foundation.
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
