&kule; Fysikk 15, 83
En stor kampanje med simuleringer av domino-velling gir ny innsikt i effekten av friksjon.
Til tross for den tilsynelatende enkelheten med å velte dominobrikker, har fysikere fortsatt ikke en komplett modell av fenomenet. Men nye numeriske simuleringer kommer et skritt nærmere ved å løse innvirkningen fra to typer friksjon – en mellom nabodominoer og den andre mellom hver domino og overflaten under den. [1]. Forskerne fant at i noen tilfeller spiller disse to friksjonskoeffisientene konkurrerende roller for å bestemme hastigheten på domino-kaskaden. De fant også at en av koeffisientene oppfører seg lik friksjon i granulære systemer som hauger med sand eller farmasøytiske piller, noe som tyder på at domino-simuleringene kan gi innsikt i andre situasjoner der friksjon er viktig.
EN YouTube-video av ingeniør Destin Sandlin (på kanalen hans Smartere hver dag) inspirerte David Cantor fra Montreal Polytechnic og Kajetan Wojtacki fra det polske vitenskapsakademiet i Warszawa til å studere dominobrikker. Sandlin tok opp en serie eksperimenter med dominovelting med et høyhastighetskamera og oppdaget raskt hvor komplekst problemet er. Han bestemte at bølgen av fallende dominobrikker beveger seg litt raskere på filt enn på et glatt tregulv. Han så også overraskende anomalier, for eksempel tilfeller der toget med veltende dominobrikker brått stoppet.
Sandlin observerte at en glatt overflate kan få en domino til å gli bakover mens den faller fremover og dermed treffe den neste dominobrikken noe lavere ned sammenlignet med dominobrikker på høyfriksjonsfilt. Men eksperimentelle begrensninger hindret ham i å fullstendig forklare effekten av friksjon på bølgehastigheten. Forskere har tidligere utført eksperimenter og simuleringer og utviklet teorier for dominovelting, men ingen har systematisk studert hvordan domino-overflatefriksjon, domino-dominofriksjon og dominoavstand påvirker bølgehastigheten. Cantor og Wojtacki utførte simuleringer som fullstendig ville kontrollere disse parameterne i håp om å forklare observasjoner bedre.
D. Sandlin/Smartere hver dag
D. Sandlin/Smartere hver dag
Fra deres omfattende kampanje med 1210 simuleringer som inkluderte 200 dominobrikker i hver, fant Cantor og Wojtacki at når avstanden er halvparten av dominotykkelsen, spiller domino-overflatefriksjon og domino-domino-friksjon konkurrerende roller: Økning av friksjonen mellom dominobrikker fører til at bølgefront for å bremse fordi friksjon absorberer noe energi fra bevegelsesbølgen. Økende friksjon med overflaten under øker hastigheten på bølgen fordi det reduserer domino-tilbakegliding, slik at hver enkelt kan treffe naboen høyere opp, der virkningen er mer effektiv, mener forskerne.
Men når dominobrikkene hadde større avstand – teamet observerte avstander opp til 5 ganger dominotykkelsen – hadde overflatefriksjonen liten effekt på bølgehastigheten. Cantor og Wojtacki tror at med større mellomrom faller dominobrikkene lenger og får dermed mer kinetisk energi før de treffer naboene. Når den påvirkes kraftigere, viser det seg at en domino er mindre sannsynlig å gli tilbake, uavhengig av overflatefriksjonen.
Cantor og Wojtacki fant også at for avstander som var bredere enn 3 ganger dominotykkelsen, var bølgen ustabil og kunne spontant stoppe hvis overflaten var relativt glatt og domino-domino-friksjonen var høy. I dette tilfellet kan tilbakeglidingen føre til at bølgen stopper på grunn av den store avstanden – en domino kan gli tilbake så langt at den kan velte, men aldri nå naboen.
Paret observerte også at hvis de økte domino-domino-friksjonskoeffisienten utover 0,4, endret ikke bølgefronthastigheten seg mye. Cantor og Wojtacki tror at jo høyere friksjon, desto mindre glir dominobrikkene mot hverandre, så til slutt spiller ikke mengden av friksjon noen rolle. Forskerne skriver at en lignende “metningseffekt” ved en verdi på rundt 0,4 har blitt sett i studier av effekten av friksjon på brattheten til sidene til en stabil haug med sand eller annet granulært materiale. Så de spekulerer i at et universelt fenomen kan være involvert.
Caishan Liu fra Peking University sier at domino-lignende oppførsel er allestedsnærværende og sees i fenomener som spenner fra nanofriksjon og molekylære kollisjoner til jordskjelv og økonomiske aktiviteter. “At karakterisere forholdet mellom makroskopisk bevegelse og mikroskopiske mekanismer til slike systemer har vært et av de grunnleggende vitenskapelige spørsmålene,” sier han.
Liu mener Cantor og Wojtackis arbeid er “viktig for å forstå forholdet mellom den globale oppførselen til dominosystemet og de fysiske parameterne,” men han sier at problemet er langt fra løst. “Det er fortsatt mye arbeid å gjøre for å avsløre de fysiske mekanismene.”
–Katie McCormick
Katie McCormick er en frilans vitenskapsskribent med base i Seattle, Washington.
Referanser
- D. Cantor og K. Wojtacki, “Effekter av friksjon og avstand på samarbeidsadferden til dominovelting,” Phys. Rev. Applied 17064021 (2022).