Vastusvoimateorian tehokkuus rakeisessa liikkumisessa

Vastusvoimateoriaa (RFT, Resistive Force Theory) käytetään usein analysoitaessa nesteissä uivien mikroskooppisten organismien liikkumista. RFT:ssä kappale jaetaan äärettömän pieniin segmentteihin, joista kukin tuottaa työntövoimaa ja kokee vastusta. Elementtien aiheuttamien voimien lineaarinen superpositio kehon yli mahdollistaa uintinopeuksien ja -tehokkuuden ennustamisen. Osoitamme, että RFT kuvaa kvantitatiivisesti sellaisten eläinten ja robottien liikkumista, jotka liikkuvat kuivassa rakeisessa väliaineessa (GM), joka on kokoelma hiukkasia, joilla on kiinteitä, nestemäisiä ja kaasumaisia piirteitä. RFT toimii hyvin, kun GM on hieman polydispersiivinen ja ”kitkaisen nesteen” tilassa, jolloin kitkavoimat hallitsevat materiaalin inertiavoimia, ja kun liikkuminen voidaan approksimoida tasoon rajoittuvaksi. Tietyssä tasossa (vaaka- tai pystytasossa) suhteet, jotka säätelevät elementaarisen tunkeutujan voiman ja suunnan välistä suhdetta, ovat toiminnallisesti riippumattomia rakeisesta väliaineesta. Käytämme RFT:tä selittääksemme rakeisella väliaineella ja sen sisällä tapahtuvan liikkumisen piirteitä, mukaan lukien kinemaattiset ja lihasaktivaatiomallit hiekkauinnin aikana hiekkakalaliskolla ja lapionenäisellä käärmeellä, Purcellin 3-lenkkisen hiekkauintirobotin optimaaliset liikkumismallit, jotka paljastuvat geometrisen mekaniikan lähestymistavan avulla, ja pienten robottien jalkojen liikkuminen GM:n pinnalla. Lopuksi keskustelemme tilanteista, joihin rakeista RFT:tä ei ole vielä sovellettu (kuten kaltevat rakeiset pinnat), ja rakeisten väliaineiden fysiikan edistysaskeleista, joita tarvitaan RFT:n soveltamiseksi tällaisissa tilanteissa.