Digging through 2D densely-packed coarse granular media as a critical phenomenon
Shizuoka University（静冈大学）；National Taiwan University（台湾大学）；Angelo State University（安杰洛州立大学）；Texas Tech University（德克萨斯理工大学）
研究制造在二维密集堆积颗粒介质中移动的挖掘器，采用独特机制应对高摩擦，通过实验和模拟验证移动策略，发现挖掘的时空幂律，表明此环境下挖掘可能是临界现象。
2026-07-29 cond-mat.soft
Creep motion of an intruder within a granular glass close to jamming
我们调查实验动力学的入侵者拖动一个恒定的力在组装水平振动谷物接近堵塞。在中等填充分数下，一旦施加力，入侵者就会迅速移动。高于一些阈值的填充分数，这增加了所施加的力，入侵者表现出间歇性的蠕变运动与强烈的波动，让人想起一个噼啪作响的噪声信号。这些波动的行为在一个关键的方式在干扰过渡揭示在以前的研究。过渡分离的入侵者的运动是占主导地位的局部自由体积重排的制度，其中的瞬时位移场是强烈的异质性和类似的力链模式中观察到的致密颗粒填料。
2009-06-15 cond-mat.soft
Mobility in immersed granular materials upon cyclic loading
我们研究的流动性的对象嵌入在一个浸没的颗粒填料，并进行循环载荷。在这个目标中，我们进行了实验，使用玻璃珠浸泡在水中和一个水平板进行循环上举力。在不同的循环力的频率和振幅进行的测试证据的三个流动性制度的发展，使板保持几乎不动，稳步向上移动或缓慢向上蠕动。结果表明，当频率增加时，在较低的力值下可以发生稳定的板块上抬。我们提出了一种解释，这种频率削弱行为的基础上力松弛实验和理论粘弹塑性力学模拟的流动性响应的分析。这些结果和分析指出了固有的差异，在流动性之间的响应稳定和循环加载浸没粒状材料。
2020-05-07 cond-mat.soft
A note on the upward and downward intruder segregation in granular media
在振动颗粒介质流体力学理论模型的框架下，研究了侵入体偏析对颗粒尺寸和密度的依赖性。我们提出了一个隔离机制的基础上不同区域的颗粒系统，这给起源的浮力，作用于入侵者之间的密度差。从分离速度的解析解可以分析入侵者从向上运动到向下运动的转变。
2002-11-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Experiment and Modeling of Rice Winnowing: Granular Segregation Method in Ancient Traditions
稻谷扬场是一种通过气流分离大小米粒的过程，自古代人类历史以来，特别是在以大米为主要碳水化合物来源的社会（在亚洲，非洲和拉丁美洲）。确实，这个过程蕴含着丰富的科学规律，但旧社会却从未有过文献记载。本文报道了稻谷风选的实验研究，并建立了一个物理模型来解释不同大小或密度的稻谷分离过程。在扬料过程中，使托盘拍动，在托盘自由端周围产生一个中心位置的涡流。通过数值模拟，我们发现分离的有效性主要取决于不同的颗粒尺寸（对于来自相同材料的颗粒）、颗粒的初始位置以及通过拍打托盘产生的涡流的角速度。我们获得了描述风选过程的不同最终条件的相图（小颗粒朝向托盘进料端移动或朝向托盘的内端移动，能够或不能在自由端离开托盘）。研究结果可为设计一种新的基于粒度或密度的颗粒分选方法提供参考。
2018-10-24 cond-mat.soft
Transient segregation of bi-disperse granular mixtures in a periodic chute flow
本文结合离散元与连续介质模拟，采用基于颗粒力的偏析模型和双向耦合流变模型，研究了双分散颗粒混合物在周期性斜槽流中的瞬态尺寸偏析，预测结果与DEM数据吻合良好。
2025-07-05 cond-mat.soft
Micromechanics of intruder motion in wet granular medium
我们调查的入侵者移动通过沉积介质，其中包括透明的颗粒状水凝胶浸入水中，以及由此产生的运动的介质所遇到的有效摩擦。我们表明，有效摩擦$μ_e$上的球形入侵者被捕获的惯性数$I$的入侵者移动的时间尺度和惯性时间尺度的上覆岩层压力设置的粒状介质的比率。此外，$μ_e$由函数$μ_e(I) = μ_s + αI^β$描述，其中$μ_s$是静摩擦，而$α$和$β$是与侵入物深度和尺寸无关的材料相关常数。通过测量入侵者周围的颗粒组分的平均流量，我们发现入侵者和颗粒介质之间的显着滑移。与粘性牛顿流体相比，介质的运动被强烈地限制在入侵者附近，并且是入侵者大小的量级。随着介质深度的增加，介质的回流发生在离侵入物更近的地方。此外，我们研究的可逆和不可逆的位移的介质，不仅以下的介质作为入侵者向下移动，但也同时返回入侵者回到原来的深度。我们发现，流动在很大程度上保持可逆的准静态制度，以及当$μ_e$迅速增加的范围内的$I$探测。
2018-07-20 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Measurements of Grain Motion in a Dense, Three-Dimensional Granular Fluid
我们用核磁共振技术测量了芥菜籽在15g垂直振动下的短时三维位移。该技术平均在一个时间间隔内，其中颗粒弹道移动，给出了一个直接测量的颗粒温度分布。最近的非弹性硬球的流体动力学理论很好地描述了致密的，较低的部分的样品。在自由上表面附近，平均自由程大于颗粒直径，流体动力学描述失效。
2001-11-29 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Robophysical study of jumping dynamics on granular media
要表征侵入沙和土壤的可变形物体上的力，需要了解这些基底的固体和流体响应及其对物体状态的影响。对干颗粒介质中侵入的最详细研究表明，固定形状物体在自由撞击（如炮弹）和被迫缓慢穿透期间的相互作用可以用流体静力和流体动力来描述。在这里，我们研究一类新的颗粒相互作用：通过被动和主动手段改变形状（自变形）的对象的快速入侵。一个简单的弹簧质量机器人跳跃干燥的粒状介质的系统研究表明，跳跃性能的非线性摩擦和流体动力阻力的相互作用，以及诱导的附加质量（未计入传统的入侵模型）的特点是由一个快速凝固的区域的颗粒加速的脚解释。一个模型，将这些动态显示，增加的质量降低了性能的某些自变形，由于在推离过程中的最佳时机的转变。我们的系统robophysical实验揭示了新的软物质物理和机器人的自我变形和控制的原则，它们共同提供了在可变形的陆地环境中的运动原理。
2015-12-17 cond-mat.soft
Undulatory forcing of an intruder through granular media: effects of frequency and packing fraction
Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)（坎皮纳斯州立大学机械工程学院）
通过离散数值模拟，研究侵入体在颗粒介质中受方向振荡力作用下的运动，发现填充分数和频率显著影响运动模式，存在最优频率最小化通过时间，并基于系统弹性提出模型。
2026-06-01 cond-mat.soft
Lift and drag forces on an inclined plow moving over a granular surface
通过实验和数值模拟研究了斜板在颗粒介质表面受拖曳时所受的拖曳力和升力。特别地，我们研究了板的水平速度和其攻角的影响。我们表明，一个稳定的楔形颗粒移动在犁的前面，并且升力和阻力是成比例的重量，这个楔形。这些比例常数随攻角而变化，但不随速度变化（或变化很小）。我们发现了一个普遍的有效摩擦定律，该定律解释了对所有上述参数的依赖性。数值模拟计算了楔体的应力场和速度场，结果表明楔体下存在剪切带，且压力为非静水压力。最强的应力和剪切梯度发生在犁体底部，因此在那里耗散率最高。
2011-07-27 cond-mat.soft
A Light-weight Vibrational Motor Powered Recoil Robot that Hops Rapidly Across Granular Media
固定在4cm正方形泡沫平台中心的1cm硬币振动马达以高达30 cm/s或约5体长/s的速度快速移动穿过颗粒介质（罂粟籽、小米、玉米粉）。快速实现无量纲加速度数，类似于弗劳德数，高达50，允许重量轻的1.4 g机构保持在基板上方，悬浮并通过其踢离表面而推进。该机构成本低，运动时不需要任何外部运动部件。在2s曝光的情况下，我们使用除了针孔之外被阻挡并且固定到机构的LED来拍摄机构的轨迹。轨迹可以表现出类似于球在振动桌面上弹跳的倍周期现象。一个二维的数值模型给出了类似的轨迹，虽然需要一个垂直的阻力来保持低的机构高度。我们把垂直拖曳力归因于空气动力学吸力，空气动力学吸力来自机制基础下方的空气流，并通过颗粒状基质。我们的数值模型表明，速度最大化时，该机制被阻止从表面跳高。以这种方式，该机构类似于疾驰或跳跃的动物，其身体在其步态期间保持在离地面几乎相同的高度。
2018-09-23 cond-mat.soft physics.bio-ph
Force and geometric signatures of the creep-to-failure transition in a granular pile
Swarthmore College（斯沃斯莫尔学院）；University of Michigan（密歇根大学）；University of Edinburgh（爱丁堡大学）
研究通过实验探讨颗粒堆中蠕变与破坏的特征，分析力网络和空隙几何结构的变化，揭示蠕变-破坏过渡的力学与几何机制。
2026-05-06 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Anisotropic frictional model for an object sliding in a granular media
本研究通过实验揭示颗粒介质中圆柱体所受摩擦力的各向异性，并建立理论模型，该模型基于摩擦耗散机械能，成功解释了平行与垂直力分量的关系。
2024-01-31 cond-mat.soft
Analyzing X-Ray tomographies of granular packings
从颗粒填料的三维体积数据开始，例如通过X射线计算机断层成像获得的，我们讨论首先检测样品中的单个颗粒然后分析其性质的方法。该分析包括对关联函数、Voronoi单元的体积和形状以及单个颗粒之间形成的接触的数量和类型。我们主要集中在单分散球的包装，但我们也将评论其他monohematic粒子，如椭球和四面体。本文附有一个免费软件包，其中包含所有程序（包括源代码）和一个示例三维数据集，允许读者复制和修改所有给出的示例。
2017-03-20 cond-mat.soft physics.data-an
Extending Granular Resistive Force Theory to Cohesive Powder-scale Media
本文将颗粒阻力理论（RFT）扩展至黏性干燥粉末，通过玉米淀粉侵入实验建立应力函数，预测复杂形状受力并优化抗下沉几何设计。
2024-12-08 cond-mat.soft
Unjamming due to local perturbations in granular packings with and without gravity
本文用计算机模拟的方法研究了摩擦式硬盘无序填料的抗干扰响应。首先，我们产生的磁盘堵塞的配置，然后迫使他们再次移动的局部扰动。我们研究了应力和位移响应的空间分布，并发现了这两种情况下扰动的长期影响。我们记录了位移的穿透深度和使系统屈服所需的临界力。这些数量在两种类型的系统中进行测试：在零重力下的理想均质填料和在重力下沉降的填料。穿透深度和临界力对颗粒间摩擦系数敏感。定性地，相同的非单调摩擦相关性被发现有和没有重力，但极值的位置是在不同的摩擦值。我们讨论的接触网络的连通性和压力梯度在unjamming响应的作用。
2008-08-20 cond-mat.soft
Gardner-like transition from variable to persistent force contacts in granular crystals
我们报告的实验证据Gardner一样的过渡从变量到持久的力接触在一个二维的，双分散的颗粒晶体通过分析单轴压缩下形成的粒子位置和力网络的变化。从密度刚刚高于冻结过渡，并为变量的额外压缩，我们比较配置，以自己的初始状态，并等效的合奏，重新初始化的状态。该协议表明，当密度低于Gardner样过渡时，力接触在很大程度上是不确定的，之后它们逐渐过渡到持久的，完全如此，只有在干扰点以上。我们关联的障碍，这种影响的基础上的光弹性磁盘的微观粗糙的大小，类推到其他机制，以前已经在理论上预测。
2022-05-13 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Intruder in a two-dimensional granular system: statics and dynamics of force networks in an experimental system experiencing stick-slip dynamics
该研究针对环形准二维光弹性颗粒系统中的受驱动侵入体粘滑现象，利用基于颗粒积分应变构建网络结合持续图拓扑分析的方法，发现粘着阶段静止时力网络仍非平凡平滑演化，存在滑移前兆，且五边形颗粒系统的网络测度波动显著大于圆盘系统。
2023-07-24 cond-mat.soft
Failure of confined granular media due to pullout of an intruder: From force networks to a system wide response
我们调查计算拔出的球形入侵者最初埋在底部的颗粒柱。一旦拉力达到临界值，入侵者开始移出颗粒床，导致材料失效。破坏点被发现依赖于颗粒柱的直径，指出在确定材料响应的颗粒-壁相互作用的重要性。离散元模拟表明，在故障之前，接触网络基本上是静态的，只有轻微的重新排列的颗粒。然而，力网络，其中不仅包括接触信息，但也有关于相互作用强度的信息，经历了一个非平凡的演变。通过考虑颗粒之间的法向力和切向力的相对大小，特别是达到库仑阈值的接触的比例，达到了初步的认识。更详细的理解导致失败的过程是通过使用持久同源的工具分析力网络的空间和时间特性来实现的。我们发现，粒子之间的力经历间歇性的时间变化之前的故障。除了这种时间的不稳定性，力网络的响应被发现是空间依赖性和接近入侵者的影响。此外，响应显着修改的相互作用强度，与相关的措施描述的响应显示不同的行为的接触，其特征在于大的相互作用力。
2020-05-17 cond-mat.soft
Reciprocal swimming in viscoelastic granular hydrogels
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg（埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希·亚历山大大学）；University of Michigan（密歇根大学）；Otto von Guericke University Magdeburg（马格德堡奥托·冯·格里克大学）；Brandenburg University of Applied Sciences（勃兰登堡应用科技大学）
研究了一种类似双壳类动物的游泳者在近无摩擦、具有粘性的颗粒介质中反向拍打翅膀的运动，发现当拍打频率匹配材料的反弛豫时间时产生显著运动，且方向与无粘性颗粒介质中相反。
2025-10-18 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Micromechanics of compressive and tensile forces in partially-bonded granular materials
Indian Institute of Science（印度科学学院）；North Carolina State University（北卡罗来纳州立大学）
研究颗粒材料中压缩和拉伸力的微力学行为，通过实验发现bonded颗粒比例影响临界致密化分数及局部压力分布，揭示了二聚体对刚度的增强作用。
2025-07-25 cond-mat.soft
Cooperative effects induced by intruders evolving through a granular medium
在颗粒集合体中施加机械扰动可以重新排列颗粒的构型。然而，一个事件的空间传播是不相关的外部扰动的大小单独。因此，一个事件的特征长度尺度没有很好地定义。在这项研究中，我们通过驱动两个入侵者通过一个垂直的二维磁盘包装触发重排。出现在两个进化入侵者周围的颗粒集合体的重排幅度与它们的分离距离有关。我们发现，入侵者之间存在一个特征距离，在此距离下，一个入侵者上方的颗粒的动态会受到另一个入侵者的影响。入侵者的大小对这个特征长度几乎没有影响。最后，我们表明，颗粒的运动之间的相关性随着远离入侵者在一个更大的长度尺度的距离减小。
2018-05-23 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Characterization of invariant patterns in a slowly rotated granular tumbler
我们报告的实验结果的模式开发的两种类型的颗粒的混合物在一个三角形的旋转的雪崩制度。在三角形的质心，一个不变的区域出现在那里的颗粒不相对于三角形移动。我们通过其归一化面积$A_i$和其圆形指数作为归一化填充面积$A$的函数来表征该不变区。我们找到了一个临界填充区域，使得只有$A>A_c$不变的区域。这些区域在$A_c$附近缩放为$A_i\sim (A-A_c)^2$。我们已经获得了一个最大的圆度指数为$A\approx 0.8$，不变区的形状更接近一个圆形。实验结果再现一个简单的模型，该模型的基础上的表面位置，占所有可能的直线内的三角形，满足恒定的$A$的条件。我们得到了不变区轮廓的解析表达式。
2014-09-23 cond-mat.soft
Stochastic methods for slip prediction in a sheared granular system
本研究通过离散元模拟和随机状态空间模型，发现颗粒间力网络的全局变化超过临界值会触发剪切颗粒系统的滑移事件，且基于力的度量比壁运动度量能更早预测滑移。
2022-10-20 cond-mat.soft
An explicit granular-mechanics approach to marine sediment acoustics
本文采用颗粒力学理论与离散元模拟研究海洋沉积物声学，揭示无序颗粒堆积结构导致相速度和衰减的反常频率标度律。
2024-05-10 cond-mat.soft physics.geo-ph
Modeling of the interaction of rigid wheels with dry granular media
我们分析的能力，最近开发的各种技术，即阻力理论（RFT）和连续塑性实现的材料点法（MPM），在捕捉动态车轮-干颗粒介质相互作用。我们比较结果更传统的接受方法建模车轮运动。RFT是一种用于任意形状物体在颗粒介质中运动的经验力模型，而基于MPM的连续介质模型可以模拟完整的颗粒流和应力场。RFT允许快速评估的相互作用力的基础上任意形状的入侵者的局部表面应力配方取决于深度，方向和表面元素的运动。我们进行了三种不同的车轮类型和三种不同的颗粒材料的强迫滑动实验，并与RFT，连续建模，和传统的地面力学半经验方法的结果进行了比较。结果表明，在所考虑的输入范围内，RFT可以可靠地用于预测刚性轮颗粒介质相互作用，在某些情况下其准确度超过传统地球力学方法。研究结果还表明，基于塑性的连续介质模型提供了一个准确的工具，车轮-土壤相互作用，同时提供更多的信息来研究的物理过程中引起的电阻应力在粒状介质。
2019-01-30 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Geometric visualization of self-propulsion in a complex medium
结合几何力学理论、实验室机器人实验和数值模拟，研究了最简单的非惯性游动机器人--Purcell三连杆游动机器人在颗粒介质中的运动.使用颗粒阻力定律作为输入，该理论将身体的平移和旋转与形状变化（连杆的运动）联系起来。这允许通过实验验证的有效运动的分析、可视化和预测。几何方法也有利于比较游泳GM和粘性流体。
2013-02-19 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.flu-dyn
Seismicity in sheared granular matter
我们报告的实验调查的动态滑块，是由一个弹簧拉过颗粒状介质组成的光弹性磁盘的垂直层。运动通过一系列离散事件进行，类似于地震冲击，其中存储在弹簧中的弹性能量迅速释放。我们测量的几个属性的个别事件的统计：在弹簧的能量损失，运动的持续时间，和滑块运动的时间曲线。我们还研究了主震-余震序列的条件概率和统计量。在低驱动率，我们观察到爆裂与Omori-Utsu，浴，和等待时间的法律类似的地震动力学中观察到的。在较高的驱动率，其中的事件序列显示出较强的周期性，我们观察到的标度律和不对称的事件形状，是明显区别于那些在噼啪作响的制度。
2018-10-29 cond-mat.soft nlin.AO
Signatures of granular microstructure in dense shear flows
粒状材料对剪切应力的反应与普通流体不同。干砂或无粘性粉末等材料不是均匀变形，而是形成剪切带：包含较大相对颗粒运动的狭窄区域，使相邻区域基本上为刚性[1，2，3，4，5]。由于剪切带标志着流动、材料破坏和能量耗散的区域，因此它们在许多工业、土木工程和地球物理过程中起着至关重要的作用[6]。它们也出现在相关的环境中，例如局限于超薄分子层的润滑液中[7]。缺乏关于三维几何形状中剪切带内运动的详细信息，包括颗粒旋转和颗粒间滑移的程度。类似地，关于单个颗粒的性质-它们的微观结构-如何影响密集堆积材料中的运动也知之甚少[5]。结合磁共振成像，X射线断层扫描，和高速视频粒子跟踪，我们得到的局部稳态粒子的速度，旋转和堆积密度的剪切流在三维Couette几何。我们发现，颗粒微观结构的关键特征决定了速度剖面的形状。
2000-03-27 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Dynamics of magnetoelastic robots in water-saturated granular beds
研究磁弹性机器人在水饱和颗粒床中的波动挖洞动力学，借助介质可视化与Lighthill细长体理论分析推力、阻力及速度，揭示动态洞穴形成与模型偏差。
2023-09-28 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Microrollers Flow Uphill as Granular Media
本文通过旋转磁场对致密微粒滚子施加扭矩，实验实现颗粒向上坡滚动并形成负休止角堆积，发现其宏观集体行为具有纯耗散颗粒系统的运动学特征。
2023-06-02 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Cell response in free-packed granular systems
研究活的贴壁细胞与机械稳定的（粘）弹性材料的相互作用，能够理解和利用细胞-细胞外通讯介导的生理现象。然而，对细胞与周围物体在细胞接触时具有不同稳定性模式的相互作用的了解可能会揭示可用于创新应用的细胞反应。在此，假设细胞附着、扩散和移动穿过微粒的自由填充颗粒床的效率取决于微粒直径，从而提高了必要的最小牵引力以增强细胞-颗粒结合和长期细胞粘附的可能性。结果表明，14-20 μm的微粒容易发生细胞介导的移动，具有诱导早期细胞脱离的潜力，而直径为38-85 μm的物体能够实现持久的细胞粘附和增殖。提出了一种基于计算机混合粒子的模型，该模型解决了细胞粘附的时间依赖性生物机制，为工程平台解决医疗保健相关挑战提供了灵感。
2022-09-05 cond-mat.soft physics.bio-ph
The Glass Transition in Driven Granular Fluids: A Mode-Coupling Approach
我们考虑由非弹性硬球或圆盘组成的流体在随机动量守恒外力作用下的定常状态。从动力学的微观描述出发，导出了二维和三维空间相干散射函数的非线性运动方程。在低于随机紧密堆积的临界堆积分数φ_c（φ_c）下，观察到所有恢复系数φ_c的玻璃化转变。在玻璃化转变的时间尺度的发散意味着压缩率的依赖性进一步增加的密度-类似于热玻璃的冷却速率的依赖性。相干运动以及标记粒子动力学的临界动力学进行了分析，并示出是非通用的指数取决于空间维度和程度的耗散。
2012-12-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech math-ph
Drag reduction during the side-by-side motion of a pair of intruders in a granular medium
本文通过实验研究颗粒介质中一对球形侵入体并排运动时的阻力变化，发现小间距下平均阻力降低并随深度增强，进而提出基于接触链断裂的阻力降低模型，揭示了沙中固体运动的协作效应。
2024-11-15 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Pressure evolution and deformation of confined granular media during pneumatic fracturing
通过数字图像相关的装置，我们的实验特征的变形的干颗粒介质内的Hele-Shaw细胞由于在恒定的超压足够高的变形（从50至250千帕）的空气注入。在这些超压下的空气注入导致形成所谓的气动裂缝，即通道空珠，我们讨论这些结构周围的介质的典型变形。此外，我们模拟的流体超压到介质中的扩散，随着时间的推移与拉普拉斯方程的解决方案进行比较，并与相应的颗粒位移的压力梯度。在压实介质中，我们表明，扩散压力场变得类似于拉普拉斯解的顺序上的特征时间给出的孔隙流体，颗粒介质和系统的大小的属性。然而，之前的扩散压力接近拉普拉斯解决方案的系统规模上，我们发现，它类似于拉普拉斯场附近的渠道，最先进的通道尖端和屏蔽的压力梯度最高的压力梯度。我们发现，颗粒位移或多或少总是在反对当地的压力梯度的方向移动，当比较颗粒速度与压力梯度在该区域的通道前，我们观察到宾汉型的颗粒糊（空气和珠的混合物）的流变学，与有效的粘度$μ\_B$和位移阈值$\nabla P\_c$在动员和压实的介质。这样的流变学，与位移阈值的无序，可以负责放置在一个普适类中的中等注入压力的图案生长，如介电击穿模型与$η=2$，其中分形维数被发现之间的1.5和1.6的图案。
2018-01-29 cond-mat.soft physics.class-ph physics.geo-ph
