Die Wirksamkeit der Widerstandskrafttheorie bei der körnigen Fortbewegung

Die Widerstandskrafttheorie (RFT) wird häufig verwendet, um die Bewegung von mikroskopischen Organismen zu analysieren, die in Flüssigkeiten schwimmen. Bei der RFT wird ein Körper in winzige Segmente unterteilt, von denen jedes einen Schub erzeugt und einen Widerstand erfährt. Die lineare Überlagerung der Kräfte von Elementen über den Körper ermöglicht die Vorhersage von Schwimmgeschwindigkeiten und Effizienz. Wir zeigen, dass RFT die Bewegung von Tieren und Robotern quantitativ beschreibt, die sich auf und in trockenen granularen Medien (GM) bewegen, Ansammlungen von Partikeln, die feste, flüssige und gasähnliche Eigenschaften aufweisen. RFT funktioniert gut, wenn das GM leicht polydispers ist und sich im „Reibungsflüssigkeits“-Regime befindet, so dass die Reibungskräfte die materiellen Trägheitskräfte dominieren, und wenn die Fortbewegung als auf eine Ebene beschränkt betrachtet werden kann. Innerhalb einer bestimmten Ebene (horizontal oder vertikal) sind die Beziehungen, die die Kraft in Abhängigkeit von der Orientierung eines elementaren Eindringlings bestimmen, funktionell unabhängig vom körnigen Medium. Wir verwenden die RFT, um Merkmale der Fortbewegung auf und in körnigen Medien zu erklären, einschließlich kinematischer und muskulärer Aktivierungsmuster während des Sandschwimmens einer Sandfischechse und einer Schaufelnase, optimaler Bewegungsmuster eines Purcell 3-Link Sandschwimmroboters, die durch einen geometrischen Mechanikansatz offenbart werden, und der Fortbewegung kleiner Roboter auf der Oberfläche von GM. Abschließend werden Situationen erörtert, auf die die granulare RFT noch nicht angewandt wurde (z. B. geneigte granulare Oberflächen), sowie die Fortschritte in der Physik granularer Medien, die erforderlich sind, um die RFT in solchen Situationen anzuwenden.