Estabilidad y dinámica de sistemas granulares
Resulta de interés estudiar la forma en que los sistemas granulares transfieren energía y llegan al equilibrio ya que resulta esencial para poder comprender problemas de estabilidad en sistemas granulares, como el desencadenamiento de avalanchas, es decir la pérdida de estabilidad, y su detención, es decir cuando el sistema alcanza un equilibrio estable o metaestable. En los últimos años hemos concentrado el esfuerzo en estudiar el tema de la estabilidad de granos con distribución de masa interna no uniforme y de empaquetamientos de estos granos:
A. Avalanchas de granos con distribución de masas interna no uniforme
B. Relajación al equilibrio de granos con distribución de masas interna no uniforme sometidos a tapping vertical.
A. Avalanchas de granos con distribución de masas interna no uniforme
En muchas situaciones prácticas, las partículas pueden tener una distribución no homogénea de su masa interna; por ejemplo, para semillas y cápsulas farmacéuticas parcialmente rellenas de polvo. En estos casos, el centro de masa de las partículas no corresponde a su centro geométrico. En tales sistemas el desplazamiento del centro de masa puede inducir a la coexistencia de clusters con una red de contacto ordenada pero con una red de centros de masas desordenada, situación que puede afectar a la estabilidad en la pendiente de este tipo de empaquetamientos. Además, por ejemplo en el caso de las cápsulas farmacéuticas, el posible movimiento del polvo interno introduce un grado de libertad interno, es decir, un centro de masa móvil. Por lo tanto, es pertinente analizar la estabilidad de pilas de granos que tienen un centro de masa desplazado de su centro geométrico.
Se ha estudiado la estabilidad de sistemas granulares bidimensionales de partículas que constan de una vaina externa (cilindros huecos de plexiglás) que dentro contienen un inserto (varilla maciza metálica) de diámetro pequeño que en algunos experimentos está libre y en otros se fija a la pared interna de la vaina externa. El sistema se prepara dentro de un tambor que, al rotar a velocidad angular constante, produce sucesivas avalanchas dentro del tambor. El estudio se complementó con el análisis de la estabilidad en sistemas granulares de partículas sin inserto.
Sistema con granos sin insertos Sistema con granos con insertos
Este trabajo se realiza en colaboración con el Dr. Jean-Christophe Géminard (LP-ENS-Lyon), con el Dr. Marcelo Piva (GMP-FIUBA) y el Dr. Román Martino(2017:GMP-FIUBA; 2018: IDIT-Conicet-Córdoba) y sirvieron para la formación del alumno Sr. Martín Marino (Ingeniería Civil- Fac. De Ingeniería- UBA). Los resultados obtenidos se publicaron en: “Avalanches of grains with inhomogeneous distribution of inner mass”. M. Piva, R. G. Martino, J.-C. Géminard, M. A. Aguirre. Phys. Rev. E, 98, 062902 (2018).
B. Relajación al equilibrio de granos con distribución de masas interna no uniforme sometidos a tapping vertical.
A fin de entender la dinámica de un apilamiento de granos con una distribución no homogénea de su masa interna (ver sección. A), se ve la necesidad de profundizar en la comprensión de cómo es el proceso de relajación de un grano aislado o de un conjunto pequeño de ellos al ser excitados fuera del equilibrio. Para tal fin, se diseñó un dispositivo que permite estudiar la dinámica de un sistema granular bidimensional de unos pocos discos con masa interna no uniforme (discos de plexiglass con una perforación descentrada respecto de su eje de simetría axial), es decir, su centro de masa desplazado con respecto a su centro geométrico, sometidos a vibraciones verticales periódicas de baja frecuencia (golpes o ‘tapping’). Estos discos están confinados verticalmente, es decir, uno encima del otro, en un contenedor rígido de ancho ligeramente mayor que el diámetro de los discos, asegurando una fracción de compactación constante entre golpes. Durante el proceso de excitación, se analiza para cada partícula la evolución de la orientación angular de su centro de masa con respecto a su centro geométrico. Estos resultados se comparan con los obtenidos en similares condiciones para discos que tiene una perforación centrada respecto de su eje de simetría axial, es decir con centro de masa centrado y que tengan igual masa que los discos con perforación descentrada.
Se estudia también el caso de un sistema, sin confinamiento lateral, la desexcitación de un empaquetamiento granular bidimensional simple de unos pocos discos con masa no uniforme fija y móvil (grado de libertad interno) sometido a golpes (‘tapping’) periódicos verticales. En particular, se determina la proporción de energía entregada en un ciclo de excitación que se transfiere a energía cinética de traslación y rotación y cuanto a energía potencial gravitatoria.
Finalmente, nos interesa también comprender la disipación partículas que tengan geometrías diferentes ya que estás afectan el grado de orden o desorden del sistema que en trabajos previos hemos visto que afectan la estabilidad del sistema, para ello se analizará la transferencia de energía entre los distintos grados de libertad cuando una partícula facetada (N faces: N = 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15 e infinito o disco) colisionar con una superficie plana.
Este trabajo se realiza en colaboración con el Dr. Jean-Christophe Géminard (LP-ENS-Lyon), con el Dr. Marcelo Piva y el Dr. Román Martino ambos del GMP-FI-UBA y sirve para la formación del alumno Sr. Fabricio Eric Fernández (Cs Físicas –Fac de Ciencias Exactas y Naturales,UBA) en el marco de su trabajo de Laboratorio 6 y 7 y de su Tesis de grado.