Líneas de investigación

Disipación de energía en sistemas granulares

La colisión de dos objetos macroscópicos está acompañada de la conversión de parte de la energía de movimiento en calor, deformación y ondas de sonido. Estas formas de energía se consideran una pérdida de la energía mecánica y el proceso se denomina disipación. El movimiento de un conjunto muy grande de granos cesa rápidamente si no se inyecta energía en forma constante al sistema por causa de esta disipación. Muchos factores afectan el ritmo al cual un sistema granular disipa energía.

En el GFSG se estudian los procesos básicos de disipación (fricción, inelasticidad, etc) y como estos se propagan en un sistema con un gran número de partículas. Este conocimiento nos permite desarrollar y estudiar mecanismos destinados a la amortiguadores de vibraciones, llamados "amortiguadores granulares". Los amortiguadores granulares son una alternativa a los sistemas de amortiguación basados en fluidos viscosos y tiene ventajas por su durabilidad y bajo costo de mantenimiento para algunas aplicaciones especiales en la industria. La figura muestra un esquema de un amortiguador granular. Cuando la estructura vibra las partículas en el interior de la cavidad colisionan y friccionan unas con otras y disipan parte de la energía de vibración.

Flujo de granulares densos

Existe un profundo conocimiento sobre el modo en que fluyen los fluidos viscosos. Sin embargo, aunque un material granulado puede también fluir, como durante la descarga de un silo, su comportamiento es muy diferente y representa aún un desafío para la ciencia. Por ejemplo, el caudal de descarga de un silo es constante mientras que para un tanque con agua el caudal decrece a medida que se vacía el tanque. 

En el GFSG se estudian las propiedades básicas del flujo de granulares densos y sus aplicaciones a las descarga de silo, movimientos en cintas transportadoras y otros. Se realizan experimentos y simulaciones de estos procesos de flujos densos y se estudian relaciones entre presión, caudal y energía disipada.

 

Atascamiento de flujo

Cuando un granulado fluye por una abertura pequeña es común observar atascamientos. Se forma un arco de granos que obstruye el flujo. La probabilidad de que se forme un arco depende del tamaño relativo entre los granos y la abertura, de la forma de las partículas, etc.

En el GFSG se estudia la estabilidad de estos arcos ante la aplicación de vibraciones y la probabilidad de su ocurrencia. Se desarrollan simulaciones numéricas y también experimentos a escala. Dado que este fenómeno está relacionados con la dinámica en que otros sistemas tienen al fluir por un estrechamiento se mantienen colaboraciones fructíferas con grupos que estudian la evacuación de peatones por una salida de emergencia.

Empaquetamiento de granulares

Una de las formas de caracterizar el estado de un sistema granular contenido en un recipiente es a través de la relación de volumen que existe entre los granos en si y el espacio intersticial. La razón ente el volumen de todos los granos y el volumen aparente de la muestra se llama la compacidad (o fracción de volumen ocupado). La compacidad puede aumentarse vibrando el recipiente por ejemplo, para que los granos se reordenen y ocupen menos volumen aparente. Sin embargo, la compacidad no es suficiente para describir el estado del empaquetamiento. La distribución de esfuerzos internos también es importante ya que puede ser diferente aún para una misma compacidad. La imagen muestra un empaquetamiento de discos obtenidos por modelización numérica donde se colorean las partículas según el estado de tensión a las que están sometidas. Se puede apreciar que la tensión no es uniforme en todo el material.

En el GFSG realizamos estudios de los estados de equilibrio mecánicos de estos empaquetamientos. También analizamos grandes números de configuraciones posibles de un empaquetamiento para desarrollar teorías de física estadística para esto materiales. 

Fluencia lentalenta.jpg

Si se toma una partícula dentro  de un sistema granular denso y se la arrastra a través del sistema tirando de un resorte la partícula empujará a sus vecinas y se abrirá paso. Sin embargo, el movimiento no será suave y continuo. En general se observará un movimiento intermitente llamado stick-slip.  La partícula se detiene y la presión que ejerce a sus vecinas aumenta conforme el resorte se estira (fase de stick) hasta que abruptamente todo el material se reestructura y cede dejando que la partícula en cuestión avance dando un salto (slip) y se detenga nuevamente. La figura muestra un esquema de una simulación en la cual se arrastra la partícula azul haciendo que gire en un anillo en un mar denso de partículas rojas.

Este fenómeno es estudiado en forma teórica en el GFSG en colaboración con laboratorios que desarrollan la fase experimental.

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