L’efficacia della teoria della forza resistiva nella locomozione granulare

La teoria della forza resistiva (RFT) è spesso usata per analizzare il movimento di organismi microscopici che nuotano nei fluidi. Nella RFT, un corpo è suddiviso in segmenti infinitesimali, ognuno dei quali genera una spinta e sperimenta una resistenza. La sovrapposizione lineare delle forze degli elementi sul corpo permette di prevedere le velocità e le efficienze di nuoto. Mostriamo che la RFT descrive quantitativamente il movimento di animali e robot che si muovono su e all’interno di mezzi granulari asciutti (GM), collezioni di particelle che mostrano caratteristiche solide, fluide e simili ai gas. La RFT funziona bene quando il GM è leggermente polidisperso, e nel regime di “fluido frizionale” tale che le forze frizionali dominano le forze inerziali del materiale, e quando la locomozione può essere approssimata come confinata a un piano. All’interno di un dato piano (orizzontale o verticale) le relazioni che governano la forza rispetto all’orientamento di un intruso elementare sono funzionalmente indipendenti dal mezzo granulare. Usiamo la RFT per spiegare le caratteristiche della locomozione su e all’interno dei mezzi granulari, compresi i modelli cinematici e di attivazione muscolare durante il nuoto nella sabbia da parte di una lucertola pesce sabbia e di un serpente dal naso a pala, i modelli di movimento ottimali di un robot Purcell a 3 anelli che nuota nella sabbia rivelati da un approccio di meccanica geometrica, e la locomozione a gambe di piccoli robot sulla superficie di GM. Chiudiamo discutendo le situazioni alle quali la RFT granulare non è ancora stata applicata (come le superfici granulari inclinate), e i progressi nella fisica dei mezzi granulari necessari per applicare la RFT in tali situazioni.