Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Válasz függvény Romhányi Judit 2006. 10. 26. PhD. I. evf. Elméleti Fizika Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Válasz függvény Romhányi Judit 2006. 10. 26. PhD. I. evf. Elméleti Fizika Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem."— Előadás másolata:

1 Válasz függvény Romhányi Judit PhD. I. evf. Elméleti Fizika Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem

2 2 Bevezetés 2D és 3D szemcsés rendszereken alkalmazott lokális perturbációra adott választ vizsgáljuk. Kísérleti bizonyíték, arra, hogy a struktúra, a rendezetlenség, az anizotrópia, a súrlódás, jelentősen befolyásolja a választ.

3 3 Az erők terjedése a szemcsés anyagokban még megoldatlan probléma. Egyik oka: Rendezetlenség. Geometriai eredetű bi-diszperz rendszer ötszög alakú szemcsék (2D) Kontaktus erők rendezetlensége Kontaktusok redundanciája súrlódás Azonos makroszkopikus körülmények közt elvégzett kísérlet eltérő válasz a perturbációra. Motivált a statisztikus fizikai megközelítés. Számos, azonos körülmények között elvégzett kísérlet átlagát tekintjük.

4 4 Elméleti modellek az erő propagálásának jellemzésére, mind a rács, mind a kontínuum tartományban: Kontínuum jellegű leírásnál pl.: A klasszikus elasztikus modell Elliptikus parciális diff egyenletet (PDE) jósol a rugalmassági küszöb alatt és hiperbolikusa fölötte. A q modell parabolikus PDE megoldást javasol, OSL modell megoldása hiperbolikus PDE-t ad. Rácsmodellek esetén: Rendezett esetre hullámegyenlet jellegű megoldást, Gyenge rendezetlenség mellett diffúziós egyenleteket, Erős rendezetlenségre pedig elliptikus PDE-t jósolnak.

5 5 Kísérlet: lokálisan erő alkalmazása után a rendszer válaszának vizsgálata. Először 2D-s rendszerekkel foglalkozunk: 1.Mono-diszperz korongok rendezett, háromszög rácsba rendezve 2.Bi-diszperz korongokból álló minta, a rendezetlenség különböző fokaival. 3.Derékszögű rácsba rendezett korongok különböző súrlódási eh.kal. 4.Ötszög alakú szemcsék (teljesen rendezetlen eset) 5.Tetszőleges irányú alkalmazott erő hatása 6.Nyírás utáni válasz vizsgálata.

6 6 A kísérlet bemutatása Foto-elasztikus mérés: alapja: a szemcsék feszültség által indukált kettős törése lehetővé teszi 2D-ban a belső szerkezet vizsgálatát. Elrendezés: 1.Két függőleges plexilap közé pakolt szemcsék 2.A függőlegestől ~2°-kal eltérő lapra helyezett szemcsék. polarizátorok közé tesszük, majd átvilágítjuk és egy 640  480- as felbontású digitális kamerával lefotózzuk.

7 7 A nyomás alatt álló szemcsén mérve a transzmissziós intenzitást képet kaphatunk a bennük levő erők (feszültségek) eloszlásáról. Az erő mérése: Az intenzitás az (x,y) pozícióban: ahol I 0 a beeső intenzitás, t a minta vastagsága, C optikai együttható, a hullámhossz. F növelésével a fekete-fehér sávok sűrűsödnek, ennek alapján F merhető.

8 8 Az erő kalibrálása: Először G 2 (i,j)-t határozzuk meg  (i,j) pozícióra, majd az N pixellel lefedett egy (v. több) szemcsére négyzet átlagot számolunk:

9 9 A fekete-fehér sávok sűrűsödésével nő is, ennek kihasználásával kalibrálunk: 1.Ismert erőket alkalmazva mérjük -et. 2.Egységes súlyokat alkalmazva mérünk.

10 10 Az eljárás: 1.Felvétel: az alkalmazott terhelés és a polarizátorok nélkül feltérképezzük a szemcsék helyét. 2.Kép: a polarizátorok alkalmazása mellett készül a terhelés nélkülfoto-elasztikus háttér. 3.Kép: polarizátorok + terhelés 4.Foto: Ismét polarizátorok és terhelés nélküli felvétel esetleges szemcse elmozdulás meghatározása. A 3.Kép - 2.Kép = a lok. perturbáció okozta feszültség változás. ~  G 2

11 11 Statisztikus megközelítés:  megvalósítás különböző képet eredményez még rendezett szerkezetű minta esetén is. (súrlódások és kontaktusok a preparáció mikroszkopikus részleteiben rejlik). Számos, azonos körülmények közt végzett kísérlet átlagos viselkedés legyen az (x,y) pozícióban a feszültség, az n- dik megvalósítás esetén. Átlagolás: átlagolása  n-re. Durva-szemcsés átlagolás.

12 12 Az egyes megvalósítások közti fluktuációt jellemzi. Var = rms 2 (x,y). (a)átlagos válasz (b)rms(x,y) Hasonló jelleg összefüggés keresése:  (i,j)-re.

13 13 Kísérleti eredmények: 4-féle elrendezés, az erők terjedését befolyásoló tényezőknek megfelelően: Rendezetlen szerkezetű minta Derékszögű pakolás (rendezett) és a súrlódás szerepe Nem merőleges irányú erők hatása Nyírt rendszer válasza

14 14 Rendezetlenség szerepe: ~ bidiszprez rendszer válasza Random kontaktus erők (  ) Geometriai rendezetlenség A rendezetlenség (poli-diszperzitás) mértékének kontrolált változtatása: w(a) : az a korong –átmérő eloszlása. Bevezetjük az A mennyiséget :,ahol az m-dik momentum: A =1 től való eltérés ~ a rendezetlenség mértéke A =1 felel meg a teljesen rendezett, monodiszperz rendszernek

15 15 Bidiszperz rendszert vizsgálunk: a 1 és a 2 átmérőjű szemcsékből rendre N 1 és N 2 db van. Ekkor R=a 1 /a 2 n i =N i /N, (i=1,2) N= N 1 + N 2,ahol Másik út a rendezetlenség jellemzéséhez: A szemcse-szemcse auto-korrelációs fv. kiszámolása: A: a rsz. Területe rij a távolság i és j rész között,és i, j 1-től N 1 ill. N 2 -ig fut Különböző szemcsék közt:

16 16 (a)Hexagonálisan pakolt mono- diszperz korongok auto- korrelációs fv.-e. (b), (c) és (d): auto-korrelációs fv. A=0,993, A=0,988 és A=0,965 esetén. Az auto korrelációs fv. itt gyorsan lecsökken a háttér 1 értékére.

17 17 rendezetlenség -re emlékeztető jelleg. Bi-diszperz rendszerek lokális gerjesztésre adott válaszai. A  1 rendezett rendszer ~ két csúcs jellegű válasz, rendezetlenség növelésével a 2 csúcs összeolvad.

18 18 Derékszögben pakolt korongok vizsgálata különböző  mellett.  meghatározása: 2 korongot összeragasztva (  gördülés) lecsúsztatunk egy az ugyanebből az anyagból készült lejtőn.  1 =0,94 ; korongok bevonása teflon szalaggal  2 =0,48. Ez a pakolási módszer csökkenti a kontakt erők véletlen jellegét. (  kontaktus szerepet játszik a stabilitásban. A kontaktus háló jól definiált, a kontaktus erő sehol sem 0.)

19 19 Különböző súrlódás mellett adott válasz. Nagyobb súrlódásnál a válasz fv. viszonylag hamarabb kiszélesedik.

20 20 Tetszőleges irányú erők hatására adott válasz: Kétféle elrendezés: (50g terhelés) -ekből álló rendezetlen rendszer (  = 90°, 60°, 45° és 30°) Hexagonális rácsba rendezett korongok (  = 90°, 75°, 60°, 45°, 30° és 15°) Normális irányú erő esetére belátható, hogy a teljesen rendetlen rsz. úgy viselkedik, mint az elasztikus anyagok. Elasztikus anyagra alkalmazva a  irányú erőt, a feszültség-tenzor elemei: Koordináta transzformációz-tengely F irányába esik, ezzel pl.

21 21

22 22

23 23

24 24 A következő kísérletben mono-diszperz korongok háromszög rácsára alkalmazunk  irányú erőt.  = 90°-ra az ismert válasz, hogy az erők a 2 rácsvektor irányában terjednek. (a)  = 70°-nál a jobb – bal szimmetria megtörik, de még mindig a rácsvektorok irányában terjednek az erők. (b)  = 60°, az erő az egyik rácsvektor irányába mutat. (c)

25 25  = 45°, 30° és 15° esetekben az egyik irány a kitűntetett rácsvektor iránya, a másik pedig ~ 62,5° pozitív irányban a függőleges tengelyhez képest ~ az a másod-szomszéd rácsvektor, amelynek iránya közelebb esik az alkalmazott erő irányához.

26 26 Nyírt rendszer vizsgálata: -alakú szemcsék, (a függőlegessel bezárt)  szögű nyírások. Felületre merőleges erő alkalmazása. 1.Felvétel: az alkalmazott terhelés és a polarizátorok nélkül feltérképezzük a szemcsék helyét. 2.Kép: a polarizátorok alkalmazása mellett készül a terhelés nélkülfoto-elasztikus háttér. 3.Kép: polarizátorok + terhelés 4.Foto: Ismét polarizátorok és terhelés nélküli felvétel esetleges szemcse elmozdulás.  : az a szög, amelynek irányában a rendszernek a legtöbb kontaktusa van.  (  ): eo.

27 27  (  ) összehasonlítása nyírás előtti és nyírás utáni esetben Kvantitatív kép a nyírás köszönhető geometriai érintkezési struktúra megváltozásáról. (adatok  szemcsére és 50 mérésre vannak átlagolva) A szerkezetbeli változás nem olyan szembetűnő, mint az az erő-csatornákban. Megfigyelés: erő-csatornák 45°-os szögben szeretnek állni.

28 28 Magyarázat:  ~ 5°-os nyírás kifejezhető, mint egy  /2 szögű forgatás és egy összenyomás 45°-os irány mentén, valamint széthúzás az erre merőleges irányban. Az összenyomás irányában megnőnek a kontaktus erők, és ez erős aszimmetriához vezet a feszültség hálóban. Az erő korreláció a kitűntetett irányban hosszú távúak, és a korrelációs függvények hatványfüggvény jellegűek, -0,81 –es exponenssel.

29 29 3D-s kísérlet: Dobozba zárt szemcsés anyag esetén a lokális terhelés hatására a doboz alján kialakuló feszültség eloszlását vizsgálták. Elrendezés: A homok vékony (~ 100  m) fémes membránra kerül, ennek deformálódását mérték. A P dugattyú ált. kifejtett terhelés M=5g-nak felel meg, A=1cm 2 területen. Mérés 2 különböző méretű és alakú homok keverékén: d 1 ~1mm, d 2 ~300  m. A lock-in erősítővel (x=0-ban) mért válasz amplitúdót ábrázoljuk ezután az alkalmazott erő-moduláció amplitúdójának (F) fv-ében. Mozgatva az erőt kifejtő dugattyút,  zz(x) feltérképezhető a doboz alján.

30 30 A válasz erő irányú, centrális jelleget mutat. (mint bi-diszperz 2Dben.) A w fél érték szélesség lineárisan nő a mélység függvényében, és a meredekség anyag független Összevetve az egyetlen rendelkezésre álló elméleti eredménnyel: (3D fél-végtelen.)

31 31 Kísérlet összefoglalása: Rendezett rendszer: rács-szimmetria megjelenése a válaszban. F F rács Rendezetlen rendszer: kontínuum jelleg ~ elasztikus anyagokhoz hasonló viselkedés. F F -ek+ Kis skála ~ szemcse mérete. Hiperbolikus fv.ek Nagy skála ~ kontínuum leírás Súrlódásrendezetlen jelleg ?

32 32 Numerikus eredmények: 2D-s szimuláció különböző rácstípusokra (háromszög és derékszögű) Mono-diszperz és Poli-diszperz korongokkal. A kísérlet menete: 1.Kontaktusok nélküli kiinduló konfiguráció létrehozása 2.Relaxáció gravitációs térben 3.Merőleges irányú terhelés alkalmazása 4.Újabb relaxáció

33 33 Mono-diszperz korongok háromszög rácsba rendezve: A külső erő növelésével átmenet történik az 1 csúccsal jellemzett profilból a 2 csúcsosba. Az átmenethez tartozó erő növekszik  növelésével. Az alk. külső erő (F ext ) alatt (x=0) mért válasz F ext fv-ében. Kis F ext mellett lineáris válasz. Lineáristól való eltérés oka a külső erő miatti csúszás, ill. a kontaktusok csökkenése.

34 34 Kis külső erő mellett a kontaktus háló változatlan, a válasz elasztikus jellegű. Növelve F ext -t horizontális kontaktusok szűnnek meg csepp alakban. A csepp mérete F ext –el arányosa nő, és  -vel arányosan csökken.  = 0 esetben a csepp alakú tartomány erősen anizotrop. Ha a csepp nem éri el az alját nyomáseloszlás 1 csúcsú. Ha eléri (F ext elég nagy)két csúcs látható a válaszban.

35 35   0 esetben effektív kapcsolat marad a csepp belsejében is. A rendszer sokkal izotropabbnak látszik, mint  =0-nál. Elég kis  -re a rendszerben csúszások léphetnek felkét csúcsú válasz jelenik meg. Ha  nagy, a nyomáseloszlást alsó lapon 1 csúcs fogja jellemezni.

36 36 Köszönöm a figyelmet! Felhasznált irodalom: G. Reydellet & E. Clément: Phys. Rev. Lett. Vol. 86 No. 15. (2001) G. Reydellet, L. Vanel & E. Clément: Phys. Rev. Lett. Vol. 87 No. 3 (2001) J. Geng, G. Reydellet, E. Clément & R.P. Behringer: Physica D, (2003) C. Goldenberg & I. Goldhirsch: Nature, Vol. 435 (2005)


Letölteni ppt "Válasz függvény Romhányi Judit 2006. 10. 26. PhD. I. evf. Elméleti Fizika Tanszék Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem."

Hasonló előadás


Google Hirdetések