منوعات

وباستخدام تقنية تجريبية جديدة، يستكشف المهندسون آليات الانهيارات الأرضية والزلازل

المواد الحبيبية، التي تتكون من قطع فردية، سواء كانت حبيبات الرمل أو حبوب البن أو الحصى، هي أكثر أشكال المواد الصلبة وفرة على الأرض. إن كيفية تحرك هذه المواد واستجابتها للقوى الخارجية يمكن أن تحدد متى تحدث الانهيارات الأرضية أو الزلازل، بالإضافة إلى المزيد من الأحداث الدنيوية مثل كيفية انسداد الحبوب عند إخراجها من الصندوق. ومع ذلك، فإن تحليل كيفية حدوث أحداث التدفق هذه وما يحدد نتائجها كان أمرًا صعبًا، واقتصرت معظم الأبحاث على تجارب ثنائية الأبعاد لا تكشف عن صورة كاملة لكيفية تصرف هذه المواد.

الآن، طور باحثون من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا طريقة لإجراء تجارب تفصيلية ثلاثية الأبعاد يمكنها أن تكشف بالضبط كيفية انتقال القوى عبر المواد الحبيبية وكيف يمكن لشكل الحبوب أن يغير النتائج بشكل كبير. يمكن أن يوفر هذا العمل الجديد فهمًا أفضل لكيفية حدوث الانهيارات الأرضية، بالإضافة إلى التحكم في تدفق المواد الحبيبية في العمليات الصناعية. النتائج موصوفة في المجلة بناس في مقال بقلم روبن جوانس، أستاذ الهندسة المدنية والبيئية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، ووي لي SM '14، دكتوراه '19، وهو الآن عضو هيئة التدريس في جامعة ستوني بروك.

من الأوساخ والرمل إلى الدقيق والسكر، المواد الحبيبية موجودة في كل مكان. يقول لي: “إنها كائن يومي، إنها جزء من بنيتنا التحتية. عندما نستكشف الفضاء، تهبط مركباتنا الفضائية على مواد حبيبية. ويمكن أن يكون فشل الوسائط الحبيبية كارثيًا، مثل الانهيارات الأرضية”.

يقول لي: “أحد النتائج الرئيسية لهذه الدراسة هو أننا نقدم تفسيرًا مجهريًا لسبب كون مجموعة من الجسيمات الزاوية أقوى من مجموعة من الكرات”.

يضيف خوانيس: «من المهم دائمًا، على المستوى الأساسي، فهم الاستجابة الشاملة للمادة. ويمكنني أن أرى أنه في المستقبل قد يوفر هذا طريقة جديدة للتنبؤ بموعد فشل المادة.

يوضح خوانيس أن الفهم العلمي لهذه المواد بدأ بشكل جدي منذ بضعة عقود، مع اختراع طريقة لنمذجة سلوكها باستخدام أقراص ثنائية الأبعاد تمثل كيفية انتقال القوى عبر مجموعة من الجسيمات. وعلى الرغم من أن هذا قدم معرفة جديدة مهمة، إلا أنه واجه أيضًا قيودًا خطيرة.

في عمله السابق، طور لي طريقة لصنع جزيئات ثلاثية الأبعاد من خلال تقنية التشكيل بالضغط التي تنتج جزيئات بلاستيكية خالية من الإجهاد المتبقي ويمكن تصنيعها فعليًا في أي شكل غير منتظم. الآن، في هذا البحث الأخير، قام هو وجوانيس بتطبيق هذه الطريقة للكشف عن الضغوط الداخلية في مادة حبيبية عند تطبيق الأحمال، في نظام ثلاثي الأبعاد بالكامل يمثل بشكل أكثر دقة المواد الحبيبية في العالم الحقيقي.

يوضح خوانيس أن هذه الجسيمات مرنة ضوئيًا، مما يعني أنها عندما تتعرض للضغط، فإنها تغير أي ضوء يمر عبرها اعتمادًا على حجم الضغط. “لذا، إذا قمت بتمرير الضوء المستقطب من خلاله وشددت على المادة، يمكنك أن ترى بصريًا مكان حدوث تغير الضغط، على شكل لون مختلف وسطوع مختلف في المادة.”

لقد تم استخدام مثل هذه المواد لفترة طويلة، كما يقول جوانس، ولكن “أحد الأشياء الرئيسية التي لم يتم القيام بها مطلقًا هو القدرة على تصوير ضغوط هذه المواد عندما تكون مغمورة في سائل، حيث يمكن للسائل أن يتدفق عبر المادة نفسها. »

ويؤكد أنه من المهم أن تكون قادرًا على القيام بذلك، لأن “الوسائط المسامية محل الاهتمام – الوسائط المسامية البيولوجية، والوسائط المسامية الصناعية، والوسائط المسامية الجيولوجية – غالبًا ما تحتوي على سائل في مساحاتها الخلالية، وسيتم نقل هذا السائل هيدروليكيًا من خلال هذه المسام الفتحات. وتقترن الظاهرتان: كيف ينتقل الضغط، وما هو ضغط السائل المسامي.

وكانت المشكلة أنه عند استخدام مجموعة من الأقراص ثنائية الأبعاد لإجراء تجربة، كانت الأقراص تمتلئ بطريقة تؤدي إلى سد السائل تمامًا. فقط مع كتلة ثلاثية الأبعاد من الحبوب ستظل هناك مسارات لتدفق السوائل، بحيث يمكن مراقبة الضغوط أثناء حركة السوائل.

بفضل هذه الطريقة، تمكنوا من إثبات أنه “عندما نقوم بضغط مادة حبيبية، تنتقل هذه القوة على شكل ما نسميه سلاسل، أو خيوط، والتي تستطيع هذه التقنية الجديدة تصورها وتمثيلها في ثلاثة أبعاد” . » قال خوانيس.

للحصول على هذا العرض ثلاثي الأبعاد، استخدموا مزيجًا من المرونة الضوئية لإضاءة سلاسل القوة، جنبًا إلى جنب مع طريقة تسمى التصوير المقطعي المحوسب، مماثلة لتلك المستخدمة في الأشعة المقطعية الطبية، لإعادة بناء صورة ثلاثية الأبعاد كاملة من سلسلة من 2400 صورة مسطحة تم التقاطها . عندما يدور الجسم 360 درجة.

ونظرًا لأن الحبيبات مغمورة في سائل له نفس معامل الانكسار تمامًا مثل حبيبات البولي يوريثان نفسها، فإن الخرزات تكون غير مرئية عندما يمر الضوء عبر الحاوية الخاصة بها إذا لم تتعرض للضغط. ويوضح جوانيس أنه بعد ذلك يتم تطبيق الإجهاد، وعندما ينثر الضوء المستقطب، فإنه يكشف عن الضغوط على شكل ضوء ولون. “الأمر اللافت للنظر والمثير حقًا هو أننا لا نتخيل الوسط المسامي. بل نتخيل القوى التي تنتقل عبر الوسط المسامي. وأعتقد أن هذا يفتح طريقة جديدة لاستجواب تغيرات الإجهاد في المواد الحبيبية.” ويضيف قائلاً: “لقد كان هذا حلمًا بالنسبة لي لسنوات عديدة”، ويقول إنه تحقق بفضل عمل لي في المشروع.

وباستخدام هذه الطريقة، تمكنوا من توضيح كيف تنتج الحبوب الزاويّة غير المنتظمة مادة أقوى وأكثر استقرارًا من الحبوب الكروية. على الرغم من أن هذا كان معروفًا تجريبيًا، إلا أن التقنية الجديدة يمكن أن توضح السبب بالضبط، بناءً على كيفية توزيع القوى، وستسمح للعمل المستقبلي بدراسة مجموعة واسعة من أنواع الحبوب لتحديد خصائصها بالضبط. والأكثر أهمية في إنشاء هياكل مستقرة، مثل صابورة أرصفة السكك الحديدية أو حواجز الأمواج.

لأنه لا توجد وسيلة لمراقبة سلاسل القوة ثلاثية الأبعاد في مثل هذه المواد، يشرح خوانيس: “في الوقت الحاضر، من الصعب جدًا التنبؤ بدقة بموعد حدوث الانهيار الأرضي، لأننا لا نعرف بنية القوة. سلاسل لمواد مختلفة.

يقول لي إن تطوير طريقة للقيام بمثل هذه التنبؤات سيستغرق بعض الوقت، لكنه قد يكون في النهاية مساهمة كبيرة لهذه التقنية الجديدة. والعديد من التطبيقات الأخرى لهذه الطريقة ممكنة أيضًا، حتى في المجالات التي تبدو غير ذات صلة، مثل كيفية استجابة بيض الأسماك عندما تتحرك الأسماك التي تحملها عبر الماء، أو للمساعدة في هندسة أنواع جديدة من القابضات الآلية التي يمكنها التكيف بسهولة لالتقاط الأشياء. من أي شكل.

تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة العلوم الوطنية الأمريكية.

..

Source link

orcalimaa

المصدر الرئيسي للأخبار والمعلومات الصحية والطبية الموثوقة وفي الوقت المناسب . توفير معلومات صحية ذات مصداقية ومجتمع داعم وخدمات تعليمية من خلال مزج الخبرة الحائزة على جوائز في المحتوى والخدمات المجتمعية وتعليقات الخبراء والمراجعة الطبية .

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

زر الذهاب إلى الأعلى