El atasco es el proceso físico mediante el cual la viscosidad de algunos materiales mesoscópicos , como materiales granulares , vidrios , espumas , polímeros , emulsiones y otros fluidos complejos , aumenta al aumentar la densidad de las partículas. La transición de interferencia se ha propuesto como un nuevo tipo de transición de fase , con similitudes con una transición vítrea pero muy diferente a la formación de sólidos cristalinos . [1]
Mientras que una transición vítrea ocurre cuando se enfría el estado líquido, la transición de interferencia ocurre cuando la densidad, o la fracción de empaquetamiento de las partículas, aumenta. Este apiñamiento de las partículas constituyentes evita que fluyan bajo una tensión aplicada y exploren el espacio de fase , haciendo que el material agregado se comporte como un sólido. El sistema puede desatascarse si se reduce la fracción de volumen o si se aplican tensiones externas que superan el límite elástico. Esta transición es interesante porque no es lineal con respecto a la fracción de volumen.
El diagrama de fase de interferencia relaciona la transición de interferencia con densidad, tensión y temperatura inversas. [2]
La densidad a la que los sistemas se atascan está determinada por muchos factores, incluida la forma de sus componentes, la deformabilidad de las partículas, las fuerzas de fricción entre las partículas y el grado de dispersión del sistema. La forma general del colector de bloqueo puede depender del sistema particular. Por ejemplo, una característica particularmente interesante de la transición de interferencia es la diferencia entre sistemas de partículas atractivos y repulsivos. No se sabe si la superficie atascada diverge para densidades suficientemente altas o temperaturas bajas.
Las simulaciones de sistemas bloqueados estudian las configuraciones de partículas que provocan bloqueos tanto en sistemas estáticos como en sistemas sometidos a cizalla. Bajo esfuerzo cortante , el tamaño promedio del grupo puede divergir después de una cantidad finita de tensión, lo que lleva a un estado de atasco. Puede existir una configuración de partículas en un estado atascado con una tensión necesaria para "romper" las cadenas de fuerza que provocan el atasco.
La realización más simple de un sistema de bloqueo estático es un empaque de esferas al azar de esferas blandas sin fricción que se atascan al aplicar una presión hidrostática externa al empaque. Justo en la transición de bloqueo, la presión aplicada es cero y el módulo de corte también es cero, lo que coincide con la pérdida de rigidez y el desbloqueo del sistema. Además, en el punto de interferencia, el sistema es isostático. Por encima del punto de bloqueo, la presión aplicada provoca un aumento de la fracción de volumen al apretar las esferas blandas más juntas y, por lo tanto, crea contactos adicionales entre las esferas vecinas. Esto conduce a un aumento del número medio de contactos.. Como se muestra en las simulaciones numéricas de Corey O'Hern y colaboradores, el módulo de corte G aumenta al aumentar siguiendo la ley: , donde d es la dimensión del espacio. [3] Una teoría microscópica de la elasticidad de primeros principios desarrollada por Alessio Zaccone y E. Scossa-Romano explica cuantitativamente esta ley en términos de dos contribuciones: el primer término es una contribución de tipo enlace, por lo tanto proporcional ay relacionados con los desplazamientos de partículas que siguen exactamente la deformación por cizallamiento aplicada ; el segundo término (negativo) se debe a las relajaciones internas necesarias para mantener el equilibrio mecánico local en un entorno desordenado y forzado y, por tanto, proporcional al número total de grados de libertad, de ahí la dependencia de la dimensión espacial d . [4] Este modelo es relevante para emulsiones comprimidas, donde la fricción entre partículas es insignificante. Otro ejemplo de sistema atascado estático es un montón de arena, que está atascado bajo la fuerza de la gravedad y no se disipa energía.
Los sistemas que consumen energía también se describen a veces como bloqueados. Un ejemplo son los atascos de tráfico , en los que, debido a los atascos, la velocidad media de los coches en una carretera puede caer bruscamente. Aquí, los automóviles en una carretera pueden considerarse como un material granular o un fluido no newtoniano que se bombea a través de un tubo. Allí, bajo ciertas condiciones, la viscosidad efectiva puede aumentar rápidamente, aumentando drásticamente la resistencia del material granular o de los fluidos a fluir y haciendo que la velocidad disminuya o incluso se detenga por completo. En esta analogía, los autos son como los granos en un material granular y si son lo suficientemente densos (es decir, están lo suficientemente separados a lo largo de la carretera), las interacciones entre los autos (ya que deben evitarse entre sí para evitar chocar) causan atascos. Un modelo simple de este comportamiento es el modelo de Nagel-Schreckenberg .
Referencias
- ^ Biroli, Giulio (abril de 2007). "Jamming: ¿un nuevo tipo de transición de fase?" . Física de la naturaleza . 3 (4): 222-223. Código Bibliográfico : 2007NatPh ... 3..222B . doi : 10.1038 / nphys580 . Consultado el 28 de marzo de 2008 .
- ^ Trappe, V .; et al. (14 de junio de 2001). "Diagrama de fase de interferencia para partículas atractivas" . Naturaleza . 411 (6839): 772–775. Código bibliográfico : 2001Natur.411..772T . doi : 10.1038 / 35081021 . PMID 11459050 . S2CID 661556 . Consultado el 28 de marzo de 2008 .
- ^ O'Hern, CS; Silbert, LE; Liu, AJ; Nagel, SR (2003). "Jamming a temperatura cero y estrés aplicado cero: el epítome del desorden" . Revisión E física . 68 (1 Pt 1): 011306. arXiv : cond-mat / 0304421 . Código Bibliográfico : 2003PhRvE..68a1306O . doi : 10.1103 / PhysRevE.68.011306 . PMID 12935136 .
- ^ Zaccone, A .; Scossa-Romano, E. (2011). "Descripción analítica aproximada de la respuesta no fina de sólidos amorfos". Physical Review B . 83 (18): 184205. arXiv : 1102.0162 . Código Bibliográfico : 2011PhRvB..83r4205Z . doi : 10.1103 / PhysRevB.83.184205 .
enlaces externos
- (Enlace de YouTube) Un video de las pinzas robóticas basadas en interferencias granulares diseñadas por el Laboratorio de Máquinas Creativas en la Universidad de Cornell muestra el principio aplicado a un brazo robótico.
- (Enlace de YouTube) Un video del robot jamming-skin , diseñado por iRobot y financiado por el programa DARPA Chemical Robots, muestra el principio aplicado a la locomoción del robot.
- Cates, YO; et al. (Agosto de 1998). "Atasco, cadenas de fuerza y materia frágil" . Cartas de revisión física . 81 (9): 1841–1844. arXiv : cond-mat / 9803197 . Código Bibliográfico : 1998PhRvL..81.1841C . doi : 10.1103 / PhysRevLett.81.1841 . S2CID 119378758 . Consultado el 28 de marzo de 2008 .
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