یک پرتابه هنگامی که به ماده دانه‌ای برخورد می‌کند، تعدادی پالس صوتی تولید می‌کند که از محل برخورد به سمت پایین انتشار می‌یابد.

هنگامی که یک سنگ در حال سقوط با لایه‌ای از شن و ماسه برخورد می‌کند، دانه‌ها به سرعت اندازه حرکت و انرژی خود را از دست می‌دهند. برای پی‌بردن به اینکه دقیقاً چطور دانه‌ها ضربه را جذب می‌کنند، گروهی از پژوهشگران با استفاده از یک دوربین با سرعت بالا، پاسخ دانه‌هایی که تحت فشار روشن می‌شوند را ثبت کرده‌اند. آن‌ها مقاله‌ای در مجله Physical Review Letters منتشر کرده اند مبنی بر آنکه این برخورد پالس‌هایی از امواج صوتی را به وجود می‌آورد که درون ماده دانه‌ای در امتداد شبکه‌های به هم متصل شده دانه‌ها حرکت می‌کند. این نتایج ممکن است درک بهتری از تشکیل حفره هنگام برخورد و نیز دینامیک دانه‌ای را ایجاد نماید.

یک پرتابه (نیم‌دایره تاریک) زنجیره‌ای از نیروها را درون یک ماده دانه‌ای دو بعدی با انتقال انرژی به دانه‌ها ایجاد می‌کند.  

دانه‌ها در جذب انرژی شیء ورودی بسیار مؤثر هستند. یکی از دلایلی که در شیب فرار کامیون (مسیری در بعضی از قسمت‌های جاده‌های اصلی که هنگام عدم عملکرد درست ترمز اتومبیل  از آن استفاده می‌شود) اغلب از شن یا ماسه به عنوان محیط ترمز استفاده می‌شود، نیز همین است. پژوهشگران معادلاتی را توسعه داده‌اند تا بتوانند رفتار ماکروسکوپی و نیروهای درگیر در فرآیند برخورد شهاب‌سنگ، گلوله توپ یا سایر پرتابه‌ها را با مواد دانه‌ای پیش‌بینی کنند. اما یک نقص کاربردی برای فیزیک دانه-مقیاس وجود دارد. رابرت برینگر از دانشگاه دوک در دورهام، کارولینای شمالی، در این‌باره می‌گوید: «هیچ‌کس واقعاً نمی‌داند که اتلاف انرژی و اندازه‌حرکت در کجا اتفاق می‌افتد.»

برینگر و همکارانش سعی کرده‌اند با فیلمبرداری از برخوردهای دانه‌ای با سرعت 40,000 فریم در ثانیه به این سوال پاسخ دهند. برای به دست آوردن نمای داخلی، این گروه دانه‌ها و پرتابه را بین دو صفحه‌ی نزدیک به هم از جنس پلکسی‌گلاس محدود کردند. دانه‌ها به شکل دیسک‌هایی به قطر 4 الی 6 میلی‌متر و ضخامت 3 میلی‌متر از جنس پلاستیک فوتوالاستیک هستند و زمانی‌که تحت فشار قرار می‌گیرند، قطبش نوری که از میان آن‌ها عبور می‌کند، مورد چرخش قرار می‌گیرد. گروه برینگر چنین دیسک‌هایی را در آزمایش‌های دیگری برای تصویر برداری و اندازه گیری فشارهای روی دانه‌های منفرد بکار برده است.

زمانی‌که این تیم دیسک‌های بزرگتری از جنس برنز را درون لایه دانه‌ای رها کرد، دانه‌ها با الگوی پیچ رعد و برق روشن می‌شوند که به اصطلاح «زنجیره‌های نیرو» نامیده می‌شوند – شبکه‌های دانه‌ها در تماس با یکدیگر قرار دارند. مطالعات قبلیِ سیستم‌های ایستا، این زنجیره‌ها را به عنوان ستون‌های باربری که بار را تحمل می‌کنند، شناسایی کردند. به عنوان مثال وزن شخصی که روی شن و ماسه ایستاده است. اما برینگر و همکارانش با اندازه‌ گیری تغییرات زنجیره این نیرو‌ در طول زمان به وسیله فریم‌های ویدئویی که تنها چندین میکرو‌ثانیه از هم فاصله دارند، از این تصویر استاتیکی فراتر رفتند. این داده‌های ویدئویی نشان دادند که در طول کاسته شدن از سرعت پرتابه فشار به پایین زنجیره‌ها از طریق مجموعه ثابتی از پالس‌های صوتیِ چند میلی‌ثانیه‌ای با سرعت صوت دانه‌ای (تقریباً 300 m/s) انتقال می‌یابد. این پالس‌ها انرژی پرتابه را به لایه دانه‌ای انتقال می‌دهند اما پس از پیمایش 10 الی 100 دانه، با از دست دادن انرژی توسط اصطکاک و جذب در دانه‌های برخورد کننده، از بین می‌روند.

طبیعت تصادفی زمان و قدرت پالس منجر به تغییرات گسترده‌ای با مقیاس میلی‌متری در شتاب منفی پرتابه می‌شود- در بعضی لحظه‌ها کاهش سرعت به تندی انجام می‌گیرد و در سایر زمان‌ها این کاهش یکنواخت است. پژوهشگران انتظار رفتار ملایم‌تری را داشتند چون مشاهدات قبلی برخورد پرتابه هیچ اثری از افت و خیز را نشان نداده بود. این احتمالاً به دلیل زمان ناکافی برای تفکیک بوده است [1,2].

این تیم یک بار دیگر شگفت زده شد و آن هنگامی بود که اندازه‌ پرتابه را تغییر داد. استدلال‌های آماری نشان می‌دهد پرتابه‌های بزرگتر بسیار آرام‌تر (با افت و خیز‌های شدید کمتر) از پرتابه‌های کوچکتر از سرعت‌شان کاسته می‌شود، زیرا نمونه‌های بزرگتر با زنجیره‌های نیروی بیشتری برهم‌کنش دارند. اما این افت و خیز‌ها برای اندازه‌های مختلف پرتابه تقریباً یکسان بودند که در گستره‌ای از 10 تا 30 برابر قطر دانه قرار داشتند. این تیم می‌پندارد که ممکن است پالس‌های صوتی به طور کامل تصادفی و رخدادهای مستقلی نباشند اما به طریقی با یکدیگر در ارتباط هستند، به گونه‌ای که حرکات تصادفی آن‌ها به آسانی قابل میانگین‌گیری نیست.

داگ دورین از دانشگاه پنسیلوانیا در فیلادلفیا این نکته را تعجب‌آور می‌داند که اندازه حرکت منتقل شده از پرتابه به دانه متناوب باشد. او می‌گوید که این، دانه‌ها را از سایر مواد بیشتر جدا می‌کند مانند سیالات. جان د بروین از دانشگاه انتاریو غربی در کانادا تصور می‌کند این کار نه تنها به مطالعه حفره‌های ناشی از برخورد مربوط است، بلکه برای رانش زمین و دیگر جریان‌های دانه‌ای نیز کاربرد دارد. او می‌گوید که این نتایج نشان می‌دهد که نظریه‌پردازان کار بیشتری برای انجام دادن دارند. در آینده «هر گونه درک نظری تفصیلی از این نیروها در اجسام در حال حرکت درون مواد، باید این افت و خیز‌های بزرگ در نیرو را به حساب آورد.»

منبع: http://physics.aps.org/articles/v5/137

مراجع

1. 1. M. A. Ambroso, R. D. Kamien, and D. J. Durian, “Dynamics of Shallow Impact Cratering,” Phys. Rev. E 72, 041305 (2005).
   2. M. Pica Ciamarra, A. H. Lara, A. T. Lee, D. I. Goldman, I. Vishik, and H. L. Swinney, “Dynamics of Drag and Force Distributions for Projectile Impact in a Granular Medium,”