The yielding of granular matter is marginally stable and critical
致密颗粒材料的机械屈服是一种迷人的流变现象，超过此范围，在足够大的变形下，应力不再随应变而增加。理解与屈服相关的机械响应行为是颗粒物理学以及其他相关领域（包括玻璃物理学、材料科学、微物理学和活性物质生物物理学）的基本目标。然而，尽管近半个世纪的理论努力，在非晶态固体屈服的性质仍然在很大程度上难以捉摸相比，其晶体对应物。在这里，我们的实验研究的力学响应的二维双分散堵塞磁盘进行体积不变的纯剪切，专注于屈服的行为。我们表明，剪切下的配置的微观力学和几何特征可以用两个临界指数的弱力和小间隙分布最初提出的各向同性干扰过渡。通过两个指数之间的标度关系，我们发现屈服转变满足边际力学稳定性条件，屈服后出现全局失稳。屈服的临界性是由一个显着的磁化率峰值，量化的玻璃重叠序参量的波动揭示。此外，我们发现一个明显的过渡屈服前，这是与发病的结构各向异性。
2023-02-27 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Quasistatic kinetic avalanches and self-organized criticality in deviatorically loaded granular media
颗粒介质在准静态加载下的行为最近被证明可以达到一个稳定的演化状态，对应于微观力学变量空间中的流形。这种状态的特点是亚稳态堵塞状态之间的突然转变，涉及部分微观力学的粒状介质的重排。使用准静态双轴压缩下的二维颗粒介质的数值模拟，我们表明，在稳定的演化状态的动态的特点是无标度雪崩以及之前的宏观机械稳定流制度传统上与自组织临界状态。这与宏观变形曲线的非唯一性和非单调性一起表明，系统的统计雪崩特性和可伸缩性不能被简化为宏观力学状态的函数。相关的标度指数是非普适的，并且取决于粒子之间的相互作用。对于较硬的颗粒（或样品在低围压），我们发现雪崩特性的分布与平均场论的预测相一致。对于粒子之间较软的相互作用，标度指数降低到平均场值以下。这些较低的指数与非晶态固体在其临界点的观察结果一致。我们具体讨论微观和宏观变量之间的关系，包括外部应力降和内部势能之间的关系，在动能雪崩释放。
2021-05-13 cond-mat.soft
Universality and criticality of a second-order granular solid-liquid-like phase transition
本文对振动颗粒物质中发生的非平衡类固液相变的临界性质进行了实验研究。临界动力学的特征在于由密度场与键取向序参数$Q_4$的耦合，其测量局部结晶的程度。两个设置进行了比较，目前的过渡在不同的临界加速度作为修改的能量耗散参数的结果。在这两个设置五个独立的临界指数进行测量，与不同的属性的$Q_4$：相关长度，弛豫时间，消失波数限制（静态磁化率），流体动力学制度的对关联函数，和振幅的顺序参数。在两种设置中，相应的临界指数一致，并由$ν_{\perp} = 1$、$ν_{\parallel} = 2$、$γ= 1$、$η\approx 0.6 - 0.67$和$β=1/2$给出，而动态临界指数为$z = ν_{\parallel}/ν_{\perp} = 2$。关于五个指数的一致意见是对过渡普遍性的迫切检验。因此，虽然耗散对于形成晶体是严格必要的，但系统朝向相分离所经历的路径是定义明确的普适类的一部分。事实上，局域序显示了临界性质，而密度则没有。作为后者的保守，耦合两者的合适模型是Hohenberg和Halperin分类中的模型C。如果我们假设$α$（在平衡态下与比热发散有关但在非平衡态实验中没有对应物的指数）为零，则所测得的指数与模型C的非平衡态扩展相一致。
2015-01-20 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Cohesion-induced hysteresis and breakdown of marginal stability in jammed granular materials
Institute of Science and Engineering, Shimane University（岛根大学理工学研究科）；Department of Applied Physics, Tokyo University of Science（东京理科大学应用物理系）；Graduate School of Arts and Sciences, The University of Tokyo（东京大学大学院人文社会系研究科）
研究黏性颗粒材料在压缩和卸载时剪切模量的滞后效应及临界稳定性破坏，揭示压力非唯一状态变量及黏性相互作用对稳定性的影响。
2026-04-05 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Stress transmission in granular matter
通过一个无序的颗粒系统的力的传输研究的几何拓扑的方法，减少到一组层的颗粒包装。这种分层结构构成了力链的骨架。给定颗粒堆积和施加力的区域，这样的骨架是唯一定义的。在这个框架内，我们写了一个方程的垂直力的传输，可以解决递归层逐层。我们发现这个方程的一类特殊的解析解是Lévi稳定分布。我们讨论了临界性和脆弱性之间的联系，我们展示了如何无序包装自然诱导力链和拱门的形成。我们指出，关键政权，幂律分布，与粗糙度的拓扑层。然而，脆性与局部颗粒重排或所施加的力的变化引起的力网络中的局部变化有关。结果进行了比较，最近的实验观察颗粒物和计算机模拟。
2001-12-17 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft
Signal Transmissibility in Marginal Granular Materials
我们研究的“传输率”的模拟二维包的无摩擦磁盘形成的限制稀释磁盘在一个收缩，周期性的盒子的机械稳定性。两个相对的边界然后被删除，从而允许一组自由运动。在一个边界上的小的自由位移然后在相对的边界上引起成比例的位移。传递性是通过远距离响应区分不同扰动的能力。我们通过连续识别具有{ \em最小}远距离响应的自由正交运动模式来评估可传递性。在这种“悲观”基础上确定的最后一种模式是最具传播性的。这些透射率最高的模式的透射振幅随模式数呈指数下降。在简单弹性介质中也可以看到类似的指数衰减，尽管两个系统中的负责模式在结构上有很大不同。因此，边缘充填体的传递率在性质上类似于简单弹性介质的传递率。我们比较我们的研究结果与最近的研究结果的基础上的投影空间的自由运动到内部网站。
2016-09-17 cond-mat.soft
Granular solids transmit stress as two-phase composites
本文提出基于两相复合材料视角的颗粒固体应力理论，通过思想实验、应力方程解及有效介质近似，为推广至非边际稳定颗粒固体奠定基础。
2023-12-22 cond-mat.soft
Criticality at finite strain rate in fluidized soft glassy materials
我们研究了流化软玻璃材料稳态剪切流变学中临界动力学的出现。考虑剪切带不稳定性的中尺度弹塑性模型内，我们展示了如何额外的噪声可以诱导从相分离到均匀流的过渡，伴随着宏观剪切速率的临界波动。宏观量和波动表现出幂律行为在这个过渡附近，与以前的实验结果一致的振动颗粒介质。总之，我们的研究结果表明，一个通用的情况下出现的临界剪切弱化机制与流化噪声竞争。
2019-04-02 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Symmetry-breaking instability in a prototypical driven granular gas
研究了在典型驱动颗粒气体中横向均匀颗粒团（条态）的对称破缺不稳定性。该系统由一个二维盒子中的光滑硬盘组成，它们相互非弹性碰撞，并在零重力下由一个“热”壁驱动。考虑了近弹性颗粒碰撞的极限，采用了具有Jenkins-Richman本构关系的颗粒流体动力学。流体动力学问题完全由两个缩放参数和盒子的纵横比来描述。边缘稳定性分析预测的自发对称性破缺不稳定的条状态，类似于最近预测的一组不同的本构关系。如果系统足够大，则边缘稳定性曲线变得与驱动壁处的边界条件的细节无关。在这种情况下，密度扰动是指数本地化的弹性壁相对于热壁。在稀释极限下，解析地得到了边际稳定性曲线的短波长和长波长渐近性。讨论了破缺不稳定性的物理机制。
2002-01-31 cond-mat.soft nlin.PS physics.flu-dyn
Jamming in confined geometry: Criticality of the jamming transition and implications of structural relaxation in confined supercooled liquids
在由壁限制的边缘堵塞的固体中，我们计算序参量$\left<Ψ(r)\right>$的粒子和系综平均值作为到壁的距离$r$的函数。作为固体中结构无序和粒子流动性的微观指标，$Ψ$根据定义是均方粒子位移在谐波近似下对温度增加的响应，并且可以直接从零温固体的振动的正常模式计算。我们发现，在受限堵塞固体，$\left<Ψ(r)\right>$曲线在不同的压力下可以崩溃到同一个主曲线以下的标度函数，表明堵塞过渡的临界性。标度坍缩表明在阻塞过渡区存在发散的长度标度和边缘不稳定性，这应该可以通过精心设计的实验来实现。此外，发现$\left<Ψ(r)\right>$在接近壁时被显著抑制，并且在垂直和平行于壁的方向上各向异性。这一发现可用于理解受限过冷液体中结构弛豫的$r$依赖性和各向异性，提供了从零温非晶态固体的角度理解或预测过冷液体行为的另一个例子。
2021-01-25 cond-mat.soft
Time-resolved dynamics of granular matter by random laser emission
由于颗粒系统的巨大商业重要性，它是工业中仅次于水的第二大使用材料，在制药和农业等多个行业中与行业交叉，因此在过去几十年中，对颗粒状材料的基础研究受到了越来越多的关注。在光子学中，颗粒材料的应用只得到了少量的研究。我们报告的第一个相图的颗粒作为获得激光发射。利用随机激光辐射研究了三维容器内液体溶液中颗粒垂直振动的动力学行为。颗粒的运动是频率和振幅的机械招标的函数，我们展示了如何激光发射允许区分颗粒中的两相，并分析其光谱分布。这是在颗粒物领域迈出的重要一步，也为类颗粒系统中光-物质相互作用的可能控制提供了明确的证据。
2013-10-22 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.optics
Mesoscopic model for colloidal particles, powders and granular solids
提出了一个仿真模型，包括弹性球与短程吸引力。除了保守力外，还增加了径向和剪切摩擦以及径向噪声。该模型可用于模拟胶体、粒状固体和粉末，其参数可通过吸引力范围和粘附能与实验系统相关联。该模型具有耗散粒子动力学（DPD）的简单性和速度，但预测却相当重要。我们表明，该模型预测正确的比例关系破裂的颗粒状固体，我们提出了一个示意性的相图。这表明液体-蒸汽共存足够大的相互作用范围内，与表面张力，遵循伊辛临界。对于较小的相互作用范围，只有固-汽共存被发现，但对于非常小的吸引力的相互作用范围稳定的液-汽共存重新出现由于病理稳定的固相。在非常低的温度下，模型形成玻璃态。
2008-11-14 cond-mat.soft
Macroscopic Continuous Approach versus Discrete Approach, Fluctuations, criticality and SOC. A state of the question based on articles in Powders & Grains 2001
颗粒介质力学的宏观连续方法假设整个离散变量系统（接触位置，接触力，.）可以用在宏观尺度上与应力和应变有关的连续场方程来代替。相反，最近的方法质疑这种有效性的基础上，微观研究表明存在大波动的力量，链的力量，.本文试图建立这个问题的状态，使用最近的工作报道在粉末和谷物2001年，研究了微观变量，他们的波动和他们的演变。本文表明，这些结果验证了宏观方法，尽管存在这些波动。结果表明，除个别特殊情况外，在大多数情况下，代表性单元体积的颗粒数很少。Pacs编号：5.40 ; 45.70 ; 62.20 ; 83.70.Fn
2005-06-21 cond-mat.soft
Velocity Distribution and Cumulants in the Unsteady Uniform Longitudinal Flow of a Granular Gas
均匀纵向流的特征在于线性纵向速度场$u_x(x,t)=a(t)x$，其中$a(t)={a_0}/({1+a_0t})$是应变率、均匀密度$n(t)\propto a(t)$和均匀颗粒温度$T(t)$。对三个（一个正的和两个负的）初始应变率代表值$a_0$，给出了非弹性硬球Boltzmann方程的直接模拟Monte Carlo解。从不同的初始条件开始，约化应变率$a^*\propto a_0/\sqrt{T}$，非牛顿粘度，第二和第三速度累积量，和三个独立的边缘分布函数的时间演化已被记录。消除有利于减少应变速率的时间$a^*$表明，在每个粒子几次碰撞后，不同的初始状态被吸引到共同的“流体动力学”曲线。从累积量和边际分布的分析中观察到麦克斯韦性质的强烈偏离。
2018-09-07 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Force Distributions in Frictional Granular Media
我们报告的联合实验和理论研究的概率分布函数（PDF的）的法向和切向（摩擦）力在无定形摩擦介质。我们同时考虑了法向力和切向力的联合概率密度函数，以及分别考虑了法向力和切向力的边际概率密度函数。最大熵的形式主义是利用所有这些情况下，确定适当的约束。良好的协议与实验和模拟数据的报告。建议的联合PDF（这似乎是新的文献）预测巨大的滑动事件在低压下，再次与观察一致。
2018-04-20 cond-mat.soft
Time of avalanche mixing of granular materials in a half filled rotated drum
本文研究了二维圆柱内颗粒的雪崩混合。我们证明，帐户之间的差异$δ$的边缘稳定性的角度和颗粒材料的休止角导致的混合时间的限制值$τ$为半满鼓。混合过程由线性离散差分方程描述。当$δ$是$π$的整数部分时，混合看起来像是分数的线性扩散，扩散系数为零。$δ$波动的引入抑制了$τ(δ)$的奇异性并平滑了$τ(δ)$的相关性。
2000-07-25 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Friction-controlled reentrant aging and fluidization in granular materials
本研究通过离散元模拟揭示摩擦在颗粒材料循环剪切压实中的双重作用，发现重入的非单调流化行为，并阐明其控制老化与流化的微观机制。
2025-10-17 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Temporal analysis of acoustic emission from a plunged granular bed
采用实际时间和自然时间分析方法，分析了下落颗粒床声发射（AE）事件的统计特性。这些时间分析方法使我们能够调查AE事件的细节，遵循幂律分布。在实际时间分析中，最大事件（即，Omori-Utsu定律）。虽然前者总是表现出幂律形式，但后者并不总是服从幂律。事件发生过程的马尔可夫性也验证了使用标度律，假设它们都表现出幂律。我们发现，有效剪切应变率是区分颗粒声发射事件中幂律性和马尔可夫性出现率的关键参数。对于自然时间分析，通过计算自然时间的方差$χ_k$揭示了自组织临界态的存在，其中N个事件的$k$次自然时间定义为$χ_k=k/N$ .此外，能差分布可以用$q$ -高斯形式拟合，这也与系统的临界性相一致。
2015-09-18 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech
Bending back stress chains and unique behaviour of granular matter in cylindrical geometries
我们分析的应力场的一般解决方案，在平面环的均衡介质，一个模型经常用于边缘刚性颗粒材料的库埃特细胞。我们证明，这些解决方案是更丰富的比在矩形对称。即使是均匀介质，应力链被发现弯曲，扩大远离应力源，衰减和泄漏应力到一个锥的影响。最奇怪的是，应力链可能向后弯曲，并传递与原始方向相反的力。在笛卡尔坐标系中，这些现象都不会出现在均匀介质的解中。我们进一步分析非均匀介质，表现出链分支和应力泄漏的链。这些结果与在库埃特池中进行的许多颗粒材料实验直接相关。他们还阐明，并支持，迄今无法解释的实验观察弯曲和回弯链，我们指出。特别是，我们使用我们的研究结果提供了一个新的解释实验观察到的滑移线的图案。
2017-02-13 cond-mat.soft
Arches and contact forces in a granular pile
在其自身重量下机械稳定的粒状颗粒的集合体包含拱。这些结构单元被识别为相互稳定的颗粒组。通常认为这些拱屏蔽了它们上面的重量，并且应该承受系统中的大部分应力。通过研究拱内和拱外颗粒所承受的应力，验证了这一假设。我们表明，事实上，粒子在拱承受更大的压力。特别是，各向同性应力往往是更大的拱晶粒，而各向异性组件是边缘区分两种类型的颗粒。接触力分布表明，指数尾（兼容的熵最大化下没有额外的约束），其次是拱外接触。在拱接触似乎是兼容的高斯分布与最近推出的方法，考虑到当地的力平衡对晶粒施加的约束。
2012-05-29 cond-mat.soft
Transforming mesoscale granular plasticity through particle shape
当非晶材料的应变超过屈服点时，它会通过耗散的雪崩式滑动事件进入持续重构状态，从而减轻累积的局部应力。然而，这些事件的统计数据如何取决于组成单位之间的地方互动仍然存在争议。为了解决这个问题，我们在颗粒材料上进行实验，我们使用颗粒形状来系统地改变相互作用。颗粒状材料，在恒定压力的边界条件下，被单轴压缩，而应力测量和内部重排与X射线成像。我们引入波动性，一个经济理论中的量，作为一个强大的新工具来量化压力波动的大小，发现系统的，形状依赖的趋势。对于所有22个调查形状的幅度$s$的松弛事件是很好的拟合截断幂律分布$P(s)\sim {s}^{-τ} exp(-s/s^*)$，已提出的塑性模型的上下文中。所有形状的幂律指数$τ$测试聚类在$τ=$ 1.5左右，实验不确定性范围为1.3 - 1.7。$τ$的形状独立性及其与平均场模型的兼容性表明，该系统的粒度，而不是颗粒形状，修改后的应力重分布的滑移事件远离连续弹性。同时，特征最大事件大小$s^*$变化两个数量级，并跟踪波动的形状依赖。因此，颗粒材料中的颗粒形状是影响无定形系统从无标度临界状态运行的距离的一个强大的新因素。这些实验结果没有捕获当前的模型，并建议需要重新检查的机制，驱动非晶系统中的介观塑性形变。
2018-12-21 cond-mat.soft
Intruder in a two-dimensional granular system: Effects of dynamic and static basal friction on stick-slip and clogging dynamics
我们讨论了入侵者被弹簧拉过二维颗粒系统的模拟结果，使用的模型旨在深入了解Kozlowski等人描述的实验结果[Phys. Rev. E，100，032905（2019）]。在先前的研究中，观察到颗粒与基底之间存在基底摩擦，从而将入侵者的动力学从堵塞改变为粘滑。在这里，我们首先表明，我们的模拟结果与实验数据非常吻合的各种实验可访问的摩擦系数管理粒子相互作用和边界。然后，我们使用模拟来探索更广泛的参数空间，重点是粒子和基底之间的摩擦。我们考虑了一系列的静态和动态的基础摩擦系数，这是很难在实验中顺利变化。模拟结果表明，动态摩擦强烈影响粘滑行为时，系数降低到0.1以下，而静摩擦只起着边缘作用的入侵者动态。
2019-10-15 cond-mat.soft
Rheology of granular flows across the transition from soft to rigid particles
稠密颗粒流的流变学通常被视为取决于定义剪切下能量松弛模式的能量景观的性质。我们调查从软到刚性颗粒的过渡，不同的$S$，他们的刚度相比，三十年的围压和惯性数$I$的剪切流超过五十年。我们表明，流变本构关系，其特征在于由动态摩擦系数的形式$μ(I)=μ_c + a I^α$是轻微的颗粒刚度的影响，与本构参数基本上取决于颗粒间的摩擦。同样，局部剪切速率的分布主要取决于惯性数$I$，表明塑性事件的特征时标主要受围压控制，对$S$不敏感。相比之下，这些事件之间的能量存储的形式，但也接触网络的属性，如配位数和距离等静压，强烈的刚度的影响，使我们能够讨论不同的制度在$(S,I)$相空间。
2017-10-12 cond-mat.soft
How criticality meets bifurcation in compressive failure of disordered solids
本文通过二维多孔固体压缩实验和非稳态脱钉模型，揭示压缩破坏本质是标准分岔而非临界转变，前兆级联可用于预测结构剩余寿命。
2023-08-19 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.data-an
Phase separation of a driven granular gas in annular geometry
本文研究了硬盘在二维环形空间内非弹性碰撞时的单分散气体的相分离，环形空间的内圈是热壁。当用颗粒流体动力学方程描述时，该系统的基本稳定状态是在环的外圆处颗粒密度增加的方位对称状态。当非弹性能量损失足够大时，流体动力学预测环形状态的自发对称性破缺，类似于先前在矩形几何形状的驱动颗粒气体中发现的范德华相分离现象。在环空的固定纵横比下，相分离涉及颗粒面积分数的“旋节间隔”，其中气体在方位角方向上具有负压缩性。方位角方向的热传导倾向于抑制不稳定性，证实了相对于小扰动的基本稳态的边际稳定性分析。为了测试和补充我们的理论预测，我们进行了事件驱动的分子动力学（MD）模拟这个系统。我们清楚地确定在MD模拟中的相分离状态的过渡，尽管存在大的波动，通过测量粒子密度的方位角谱的基本傅立叶模式的振幅的概率分布。我们发现，从流体力学预测的不稳定区域，总是位于MD模拟中观察到的相分离区域内。这意味着存在一个双结点（共存）区域，其中的环形状态是亚稳态。当驱动壁和弹性壁互换时，以及当弹性壁被弱非弹性壁取代时，相分离仍然存在。
2006-11-12 cond-mat.soft nlin.PS
Steady state in a gas of inelastic rough spheres heated by a uniform stochastic force
在这里，我们研究的非弹性粗糙球的颗粒气体中达到的稳定状态，受到空间均匀的随机体积力。随机力具有所谓的白噪声的形式，并且通过将脉冲添加到粒子平移速度来起作用。我们工作出相应的速度分布函数的分析解决方案，从Sonine多项式展开，显示能量之间的非均分的平移和旋转模式，平移和旋转的峰度，和旋转速度的相关性。通过与玻尔兹曼动力学方程的数值解（通过直接模拟蒙特卡罗方法）的比较，我们表明，我们的解析解提供了一个很好的描述，在一定范围内的非弹性和粗糙度定量非常准确。我们还发现了三个重要的功能，使强制颗粒气体的稳定状态非常不同的均匀冷却状态（实现由非强制颗粒气体）。首先，边缘速度分布总是接近麦克斯韦分布。第二，有一个连续的过渡到纯光滑极限（粒子旋转的影响被忽略）。第三，角速度-旋转速度的相关性显示出对准垂直相互取向的偏好（这被称为“举网球”行为）。
2015-11-04 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.flu-dyn
