Предскажет землетрясение: ученые работают над новым исследованием

Распространение ударных волн в зернистых или гранулированных материалах важно для определения силы землетрясений, определения местоположения нефтяных и газовых резервуаров, проектирования акустической изоляции и разработки материалов для уплотнения порошков. Ученые использовали рентгеновские измерения и анализы, чтобы показать — масштабирование скорости и дисперсия в передаче волны основаны на расположении частиц и цепях сил между ними. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Новое исследование ученых дает лучшее понимание того, как мелкомасштабная структура гранулированного материала связана с поведением волн, распространяющихся через них. Эти знания имеют фундаментальное значение для изучения сейсмических сигналов от оползней и землетрясений, для неразрушающей оценки почв в гражданском строительстве. Кроме того, эти знания пригодятся для изготовления материалов с желаемыми волновыми свойствами в материаловедении.

Структурно-имущественные отношения сыпучих материалов регулируются расположением частиц и цепями сил между ними. Эти отношения позволяют создавать материалы, демпфирующие (погашающие) волны. Передача волн в гранулированных материалах была тщательно изучена и демонстрирует уникальные особенности: степенное масштабирование скорости, дисперсия и затухание — уменьшение амплитуды сигнала, электрического тока или других колебаний.

Изображение представляет собой комбинацию двух наборов данных рентгеновских сканирований монокристаллических сапфировых сфер. Реконструированные данные рентгеновской компьютерной томографии (XRCT) определяют поверхность всех 621 зерна в каркасе нагрузки. Предоставлено: Университет Джона Хопкинса.

Более ранние исследования, относящиеся к концу 1950-х годов, описывали "что" может происходить с материалом, лежащим в основе распространения волн, но новое исследование предоставляет ответ на вопрос "почему".

"Новым экспериментальным аспектом этой работы является использование рентгеновских измерений на месте для получения структуры упаковки, напряжений частиц и межчастичных сил во всем гранулированном материале во время одновременного измерения пропускания ультразвука. Эти измерения являются самым точным набором данных на сегодняшний день при исследовании ультразвука, сил и структуры в гранулированных материалах" - Райан Херли, доцент кафедры машиностроения в Школе инженерного мастерства Джона Хопкинса.

Новые эксперименты, наряду с поддерживающими имитациями, позволяют ученым выявить, почему скорости волн в гранулированных материалах изменяются в зависимости от давления. Также у исследователей появилась возможность количественно оценить влияние отдельных явлений в масштабе частиц на макроскопическое поведение волн.

Исследование дает новое понимание во временной и частотной областях распространения волн, проливая свет на фундаментальные механизмы, контролирующие скорости волн, дисперсию и затухание в этих системах.