• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to previous page

Fundamental physics and impact response of hierarchical granular matter

Research Project

Project/Area Number 18H03679
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
Research InstitutionOsaka University (2019-2022)
Nagoya University (2018)

Principal Investigator

桂木 洋光  大阪大学, 理学研究科, 教授 (30346853)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2023-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥43,940,000 (Direct Cost: ¥33,800,000、Indirect Cost: ¥10,140,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000)
Fiscal Year 2021: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000)
Fiscal Year 2020: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
Fiscal Year 2019: ¥6,630,000 (Direct Cost: ¥5,100,000、Indirect Cost: ¥1,530,000)
Fiscal Year 2018: ¥12,480,000 (Direct Cost: ¥9,600,000、Indirect Cost: ¥2,880,000)
Keywords粉体 / 階層構造 / 衝突 / 力学特性
Outline of Annual Research Achievements

今年度は「階層構造を持つ高空隙率粒子群の一軸圧縮時に現れる周期的圧縮力変動」および「粉体斜面の衝突による緩和」について昨年度までに得られた成果をまとめて論文により発表した.また「光弾性による2次元粉体系からの棒引抜による応力鎖構造発展の可視化解析」についても成果をまとめ論文を発表した.これらの他に,新たな実験研究として「階層構造を持つ高空隙率粒子群への固体弾衝突による衝突抵抗力の研究」,「階層構造を持つ高空隙率粒子群の振動応答」および「粒子の凝集による保水効果の検証」などの実験研究を始めた.研究計画が中盤を迎える中で,得られた成果の発表と新規実験への着手が概ね順調なサイクルでまわっていると言える.また,階層粉体などの砂山を回転により変形させる実験についても,一部他プロジェクトと共同しながら研究を進展させてきた.特に,国際共同研究として行った階層粉体の一軸圧縮試験により発見された周期的圧縮力の変動は,本年度の中心的成果と言える.この圧縮力の周期変動は従来の固体粒子群による通常粉体の一軸圧縮では観察されてこなかった新規現象である.その圧縮力周期変動の物理的起源の完全解明には未だ至っていないが,圧縮力増大を特徴付けるモデルについての考察を本研究の中で深めることに成功した.特に,工学分野で用いられている経験的モデル関係式の物理的意義についての考察においていくつかの新たな知見が得られ,論文において発表を行った.また,粉体斜面の衝突による緩和現象の解析では,振動による砂山形状緩和現象と類似したモデルを用いてその物理機構が説明可能であることが分かった.これは,様々な影響により起こる粉体斜面の緩和が統一的なモデルで記述可能なことを示唆しており,粉体構造の階層性などとは独立に成り立つ現象論的モデルの普遍性を表している.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

様々な複雑性を持つ広い意味での階層粉体の物理特性の評価について概ね順調に研究に取り組んだ.コロナウィルス感染拡大の影響を受け,予定していた海外からの博士研究員迎え入れについて大幅な延期を余儀なくされるなどの事態はあったものの,成果発表および実験の取り組みへの影響は限定的にとどめることができた.特に,2019年度の夏に国際共同実験を行った「階層構造を持つ高空隙率粒子群の一軸圧縮実験」においては,圧縮力の周期変動などの新規現象の発見に成功し,本年度はその成果発表も行った.また,本年度は階層構造を持つ高空隙率粒子群への固体弾衝突および振動実験にも新たに着手し,一定の成果を得つつある.後者の振動実験については,博士研究員の着任遅れがあり,まだ現象の全貌を明らかとするには至っていないが,既にいくつかの新規と思われる現象の観察に成功しており,今後の一層の発展が期待できる.固体弾衝突実験においては,これまで通常粉体を用いた実験により確立されてきた衝突抵抗力則(モデル)が階層粉体においても成立し得るかについて系統的に調べ,一部修正が必要であることが明らかになってきている.また,土壌において保水性や透水性を高めると言われている団粒構造が正に階層構造を持つ粉体に相当することに着目し,ガラスビーズなどの比較的単純な粒子の凝集による保水効果の検証などについての実験にも新たに取り組み始めた.基本的にやや予想以上に進展している項目が多く,全体としては概ね順調に進展している.

Strategy for Future Research Activity

今後も引き続き様々な複雑性を持つ階層粉体の基礎物理特性の解明に取り組む.2020年度に取り組み始めた「階層構造を持つ高空隙率粒子群への固体弾衝突による衝突抵抗力の研究」および「階層構造を持つ高空隙率粒子群の振動応答」について特に中心的に博士研究員,大学院生らと共同して取り組む.両研究テーマとも予備的成果は既に得られており,今後は系統的な実験および解析を中心に行う.特に,衝突抵抗力については,従来の抵抗力則と部分的に一致しないことが既に確認出来ているが,その物理的要因について,個別粒子の力学特性の違いの測定から迫ることを予定している.この個別粒子の力学特性計測は,衝突抵抗力以外の研究トピックにも関係する階層粉体における基礎的な物性となる可能性を秘めており,今後は各研究トピック(現象)の相互連携なども意識しながら全体の研究計画を進めていきたいと考えている.また,一部他プロジェクトと共同で取り組んでいる砂山の回転による変形については,系統的な結果が得られており,今年度の成果発表を予定している.その他にも階層構造を持つ粉体(団粒)の保水・透水特性についても引き続き実験に取り組むほか,固体粒子と高粘性流体の混合した系の弾性波伝播特性などの計測についても取り組みたいと考えている.コロナウィルス感染拡大の影響により,国際共同研究による実験の実施などが難しい状況となっていて,研究進展について当初想定より難しい境界条件をつきつけられている部分はあるが,現実的に取り組める課題を着実に解決することを積み重ねていきたいと考えている.

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(55 results)

All 2021 2020 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (15 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 14 results,  Open Access: 4 results) Presentation (35 results) (of which Int'l Joint Research: 10 results,  Invited: 3 results) Funded Workshop (1 results)

  • [Int'l Joint Research] BUAP(メキシコ)

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] Benemerita Univ. Autonoma de Puebla(メキシコ)

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] Indian Institute of Technology Guwahati(インド)

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] Technische Universitat zu Braunschweig(ドイツ)

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Journal Article] Force chain structure in a rod-withdrawn granular layer2021

    • Author(s)
      Okubo F.、Katsuragi H.
    • Journal Title

      Modern Physics Letters B

      Volume: 35 Pages: 2150206-2150206

    • DOI

      10.1142/s0217984921502067

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Undulating compression and multistage relaxation in a granular column consisting of dust particles or glass beads2021

    • Author(s)
      Pacheco-V?zquez Felipe、Omura Tomomi、Katsuragi Hiroaki
    • Journal Title

      Physical Review Research

      Volume: 3 Pages: 013190-013190

    • DOI

      10.1103/physrevresearch.3.013190

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Centroid migration on an impacted granular slope due to asymmetric ejecta deposition and landsliding2020

    • Author(s)
      Omura Tomomi、Takizawa Shinta、Katsuragi Hiroaki
    • Journal Title

      Monthly Notices of the Royal Astronomical Society

      Volume: 502 Pages: 293-299

    • DOI

      10.1093/mnras/staa3982

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Viscoelasticity to Run on a Dense Potato-Starch Suspension2020

    • Author(s)
      KATSURAGI Hiroaki
    • Journal Title

      JAPANESE JOURNAL OF MULTIPHASE FLOW

      Volume: 34 Issue: 3 Pages: 395-402

    • DOI

      10.3811/jjmf.2020.t011

      10.3811/jjmf.2020.T011

    • NAID

      130007924668

    • ISSN
      0914-2843, 1881-5790
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Journal Article] A novel experimental setup for an oblique impact onto an inclined granular layer2020

    • Author(s)
      S. Takizawa, R. Yamaguchi, and H. Katsuragi
    • Journal Title

      Rev. Sci. Instrum.

      Volume: 91

    • DOI

      10.1063/1.5127087

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Scaling laws for the oblique impact cratering on an inclined granular surface2020

    • Author(s)
      S. Takizawa and H. Katsuragi
    • Journal Title

      Icarus

      Volume: 335

    • DOI

      10.1016/j.icarus.2019.113409

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Laboratory experiment and discrete-element-method simulation of granular-heap flows under vertical vibration2019

    • Author(s)
      Tsuji Daisuke、Otsuki Michio、Katsuragi Hiroaki
    • Journal Title

      Phys. Rev. E

      Volume: 99 Pages: 062902-062902

    • DOI

      10.1103/physreve.99.062902

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Bouncing of a projectile impacting a dense potato-starch suspension layer2019

    • Author(s)
      K. Egawa and H. Katsuragi
    • Journal Title

      Phys. Fluids

      Volume: 31

    • DOI

      10.1063/1.5095678

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Physical constraints on sand crab burrows: mechanical properties of wet sand explain the size and spatial distributions of burrows on beaches2019

    • Author(s)
      A. Shinoda, S. Fujiwara, H. Niiya, and H. Katsuragi
    • Journal Title

      PLOS ONE

      Volume: 14

    • DOI

      10.1371/journal.pone.0215743

    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Experimental Study of Stability and Strength of a Horizontal Tunnel in Wet Granular Layer: Empirical Forms of Strength to Discuss the Mechanical Stability of Crab Burrows2019

    • Author(s)
      篠田 明友子, 藤原 慎一, 新屋 啓文, 桂木 洋光
    • Journal Title

      Funtai Kogakkaishi

      Volume: 56 Issue: 4 Pages: 194-202

    • DOI

      10.4164/sptj.56.194

    • NAID

      130007633974

    • ISSN
      0386-6157, 1883-7239
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Packing-dependent granular friction exerted on a rod withdrawn from a granular layer: the role of shear jamming2019

    • Author(s)
      T. Furuta, S. Kumar, K. Anki Reddy, H. Niiya and H. Katsuragi
    • Journal Title

      New J. Phys.

      Volume: 21

    • DOI

      10.1088/1367-2630/ab00c8

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Impact-induced collapse of an inclined wet granular layer2019

    • Author(s)
      S. Takizawa, H. Niiya, T. Tanabe, H. Nishimori, and H. Katsuragi,
    • Journal Title

      Physica D

      Volume: 386-387 Pages: 8-13

    • DOI

      10.1016/j.physd.2018.08.002

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Impact-induced energy transfer and dissipation in granular clusters under microgravity conditions2018

    • Author(s)
      H. Katsuragi and J. Blum
    • Journal Title

      Phys. Rev. Lett.

      Volume: 121

    • DOI

      10.1103/physrevlett.121.208001

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Void structure stability in wet granular matter and its application to crab burrows and cometary pits2018

    • Author(s)
      A. Shinoda, S. Fujiwara, H. Niiya, and H. Katsuragi
    • Journal Title

      Sci. Rep.

      Volume: 8

    • DOI

      10.1038/s41598-018-33978-8

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Shape dependence of resistance force exerted on an obstacle placed in a gravity-driven granular silo flow2018

    • Author(s)
      H. Katsuragi, K. Anki Reddy, and K. Endo
    • Journal Title

      AIChE J.

      Volume: 64 Pages: 3849-3856

    • DOI

      10.1002/aic.16205

    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 粉体層の一軸圧縮時に現れる圧縮力振動2021

    • Author(s)
      桂木洋光, F. Pacheco-Vazquez, 大村知美
    • Organizer
      日本物理学会 第76回年次大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 階層的構造を持つ粉体における衝突ダイナミクスの実験的研究2021

    • Author(s)
      大久保文暁, 桂木洋光
    • Organizer
      日本物理学会 第76回年次大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 階層構造を持つ粉体層の圧縮力振動2020

    • Author(s)
      桂木洋光,F. Pacheco-Vazquez,大村知美
    • Organizer
      粉体工学会 2020年度秋期研究発表会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 衝突による粉粒体の変形と流れ2020

    • Author(s)
      桂木洋光
    • Organizer
      混相流シンポジウム2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 遠心力による砂山の形状変化および流動特性2020

    • Author(s)
      入江輝紀, 山口隆正, 渡邊誠一郎, 桂木洋光
    • Organizer
      日本惑星科学会 2020年秋季講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 衝突クレーター形成に伴う粉体斜面崩壊に関する実験的研究2020

    • Author(s)
      大村知美, 滝澤真太, 桂木洋光
    • Organizer
      混相流シンポジウム2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 2次元粉体層からの棒引き抜きによる応力鎖構造の実験的研究2020

    • Author(s)
      大久保文暁, 桂木洋光
    • Organizer
      混相流シンポジウム2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 回転実験による砂山形状変化のヒステリシスと自転コマ型小惑星の形状安定性2020

    • Author(s)
      入江輝紀, 山口隆正, 渡邊誠一郎, 桂木洋光
    • Organizer
      混相流シンポジウム2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Experimental study on the relaxation of slope terrain due to small-scale impact2020

    • Author(s)
      T. Omura, S. Takizawa, and H. Katsuragi
    • Organizer
      JpGU-AGU Joint meeting 2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] ダスト凝集体および階層粉体への固体弾衝突実験2020

    • Author(s)
      桂木洋光,J. Blum
    • Organizer
      第36回Grain Formation Workshop
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 傾斜粉体層への斜め衝突クレータリングのスケーリング解析2019

    • Author(s)
      滝澤真太,桂木洋光
    • Organizer
      第9回ソフトマター研究会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 非ブラウン粒子懸濁液への固体弾衝突とその跳ね返り2019

    • Author(s)
      江川嘉寿也,桂木洋光
    • Organizer
      日本物理学会2019年秋季大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Scaling of oblique impact cratering onto inclined granular layer2019

    • Author(s)
      滝澤真太,桂木洋光
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2019年大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Viscoelastic characterization of a solid projectile impact onto a dense potato starch suspension2019

    • Author(s)
      江川嘉寿也,桂木洋光
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2019年大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 凝集体粒子群の微小重力下での衝突膨張2019

    • Author(s)
      桂木洋光,J. Blum
    • Organizer
      粉体工学会 2019年度春期研究発表会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 微粒子凝集粉体の衝突ダイナミクス2019

    • Author(s)
      桂木洋光
    • Organizer
      粉体工学会 「計算粉体力学研究会」(第57回)
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 2次元粉体層からの棒引き抜きによる応力鎖構造の実験的研究2019

    • Author(s)
      大久保文暁,桂木洋光
    • Organizer
      日本物理学会 第75回年次大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 衝突クレータリングによる粉体斜面崩壊に関する実験的研究2019

    • Author(s)
      大村知美,滝澤真太,桂木洋光
    • Organizer
      日本物理学会 第75回年次大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 小規模衝突による傾斜地形緩和に関する実験的研究2019

    • Author(s)
      大村知美,滝澤真太,桂木洋光
    • Organizer
      第9回ソフトマター研究会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 小規模衝突による傾斜地形緩和に関する実験的研究2019

    • Author(s)
      大村知美,滝澤真太,桂木洋光
    • Organizer
      日本惑星科学会 2019年秋季講演会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] 地球惑星科学におけるクレーター形成実験に用いる10~100m/s可変の衝突実験装置の設計法と3Dプリンティング技術活用による開発について2019

    • Author(s)
      山口隆正,滝澤真太,桂木洋光
    • Organizer
      日本機械学会 2019年度年次大会
    • Related Report
      2019 Annual Research Report
  • [Presentation] Probing viscoelasticity of dilatant fluid by solid projectile impact2019

    • Author(s)
      K. Egawa and H. Katsuragi
    • Organizer
      American Physical Society March Meeting 2019
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Cratering and collapse of an inclined granular layer by oblipue impact of a spherical projectile2019

    • Author(s)
      S. Takizawa, R. Yamaguchi, and H. Katsuragi
    • Organizer
      American Physical Society March Meeting 2019
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Granular flow dynamics in a vibrating system from multiple points of view: Laboratory experiments, continuum modeling, and numerical simulations2019

    • Author(s)
      D. Tsuji, M. Otsuki, and H. Katsuragi
    • Organizer
      American Physical Society March Meeting 2019
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 階層粉体クラスターの微小重力下での衝突誘起膨張のエネルギースケーリング2019

    • Author(s)
      桂木洋光,J. Blum
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 傾斜粉体層への斜め衝突クレータリング2018

    • Author(s)
      滝澤真太,桂木洋光
    • Organizer
      第14回衝突研究会 研究集会「天体の衝突物理の解明 (XIV) 」
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] Solid projectile impact onto a porous dust aggregate consisting of micrometer-sized particles2018

    • Author(s)
      H. Katsuragi
    • Organizer
      Southern Workshop on Granular Materials 2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Granular flow driven by vibration and its application to the crater relaxation process on a small planet2018

    • Author(s)
      D. Tsuji, M. Otsuki, and H. Katsuragi
    • Organizer
      AGU fall meeting 2018
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Large frictional drag by shear-induced solidification of granular layer2018

    • Author(s)
      T. Furuta, S. Kumar, K. Anki Reddy, H. Niiya and H. Katsuragi
    • Organizer
      Physics of Jammed Matter
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Cratering and collapse by oblique impact onto an inclined granular layer2018

    • Author(s)
      S. Takizawa and H. Katsuragi
    • Organizer
      Physics of Jammed Matter
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Probing viscoelasticity of dilatant fluid by solid projectile impact2018

    • Author(s)
      K. Egawa and H. Katsuragi
    • Organizer
      Physics of Jammed Matter
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Granular flow dynamics under a vibrating system2018

    • Author(s)
      D. Tsuji, M. Otsuki, and H. Katsuragi
    • Organizer
      Physics of Jammed Matter
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Jamming-originated large frictional force exerted on a rod withdrawn from granular layer2018

    • Author(s)
      古田尊経,新屋啓文,桂木洋光
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2018年大会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ぬれた粉体層中の横穴構造の安定性と砂浜のカニの巣穴の力学特性2018

    • Author(s)
      篠田明友子,藤原慎一,新屋啓文,桂木洋光
    • Organizer
      粉体工学会 2018年度春期研究発表会
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] 粉体層からの棒引き抜き抵抗とシアー・ジャミング2018

    • Author(s)
      古田尊経,新屋啓文,桂木洋光
    • Organizer
      ガラス転移と関連分野の最先端研究
    • Related Report
      2018 Annual Research Report
  • [Funded Workshop] Discussion meeting on Granular dynamics & Planetary terrain2019

    • Related Report
      2019 Annual Research Report

URL: 

Published: 2018-04-23   Modified: 2022-12-28  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi