Investigadores del laboratorio de Fluidos, Automática y Sistemas Térmicos y de la UNICAMP (Brasil) han proporcionado la primera demostración de que la rotación sobre sí mismo del proyectil favorece su penetración en el suelo. Publicados en la revista
Physical Review, estos trabajos ofrecen un modelo que predice la profundidad de enterramiento en función de la velocidad de caída y de rotación.
Secuencia del impacto del proyectil en el medio granular compuesto por microesferas.
© Y. Bertho
A diferencia de los fluidos y los sólidos, el comportamiento mecánico de los medios granulares no está guiado por grandes leyes físicas ya bien establecidas. Sin embargo, muchas disciplinas necesitan predecir cómo va a penetrar un proyectil en suelos y materiales compuestos por granos, como la arena, la grava, los polvos o los cereales en los silos. Las aplicaciones van desde la misión espacial InSight, encargada de estudiar la temperatura del suelo marciano hasta cinco metros de profundidad, hasta los esfuerzos de reforestación lanzando semillas desde aviones o helicópteros.
Existen dos escenarios, según si el proyectil gira o no sobre sí mismo durante su movimiento. Investigadores del laboratorio de Fluidos, Automática y Sistemas Térmicos (
FAST, CNRS/Universidad Paris-Saclay) y de la Universidad Estatal de Campinas (UNICAMP, Brasil) han demostrado que, a igual velocidad de caída, cuanto más rápida es la rotación del proyectil, más profundo se hunde en un medio granular.
Han cuantificado la eficiencia de la maniobra mediante una relación entre la velocidad de rotación y la velocidad de impacto. En los rangos de velocidades estudiados, los proyectiles se hunden hasta un 15 % más en caso de rotación. Esta es la primera verdadera demostración de que la rotación favorece la penetración en el suelo.
Para ello, los científicos han realizado un dispositivo experimental que permite hacer impactar un proyectil esférico a velocidad controlada, variando su altura de caída, en esferas de vidrio milimétricas. Estas están contenidas en un recipiente en rotación, ya que es mucho más fácil controlar la rotación del medio granular que la del proyectil, que podría no seguir una trayectoria recta.
Los investigadores se mantuvieron en rangos de velocidades suficientemente limitados para mantener las esferas en su lugar, lo que significa que no hay diferencias en términos de fuerzas mecánicas según quién gire, si el medio granular o el proyectil. Así, descubrieron que durante el enterramiento, la rotación favorece la fluidización del medio granular alrededor del proyectil. Esto disminuye la presión bajo el proyectil, que se hunde más fácilmente.
De ello, los investigadores han desarrollado un modelo físico capaz de predecir la profundidad de enterramiento del proyectil en función de su velocidad de caída y de la rotación del medio granular. Ahora intentan modelar la morfología de los cráteres producidos por tales impactos y la trayectoria de eyección de los granos.
Referencias:
Penetration of a spinning sphere impacting a granular medium.
D. D. Carvalho, Y. Bertho, E. M. Franklin, and A. Seguin.
Phys. Rev. E 109, 054902 (2024).
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.109.054902.
Artículo consultable en la base de archivos abiertos
Arxiv.
Fuente: CNRS INSIS