Fundamental physics and impact response of hierarchical granular matter

• Project/Area Number: 18H03679
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 13:Condensed matter physics and related fields
• Research Institution: Osaka 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: ¥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

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．

Research Products

• [Int'l Joint Research] BUAP(メキシコ)
• [Int'l Joint Research] Benemerita Univ. Autonoma de Puebla(メキシコ)
• [Int'l Joint Research] Indian Institute of Technology Guwahati(インド)
• [Int'l Joint Research] Technische Universitat zu Braunschweig(ドイツ)
• [Journal Article] Force chain structure in a rod-withdrawn granular layer (2021)
  • Author(s): Okubo F.、Katsuragi H.
  • Journal Title: Modern Physics Letters B Volume: 35 Pages: 2150206-2150206
  • DOI: 10.1142/s0217984921502067
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Undulating compression and multistage relaxation in a granular column consisting of dust particles or glass beads (2021)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Centroid migration on an impacted granular slope due to asymmetric ejecta deposition and landsliding (2020)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Viscoelasticity to Run on a Dense Potato-Starch Suspension (2020)
  • 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
• [Journal Article] A novel experimental setup for an oblique impact onto an inclined granular layer (2020)
  • Author(s): S. Takizawa, R. Yamaguchi, and H. Katsuragi
  • Journal Title: Rev. Sci. Instrum. Volume: 91
  • DOI: 10.1063/1.5127087
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Scaling laws for the oblique impact cratering on an inclined granular surface (2020)
  • Author(s): S. Takizawa and H. Katsuragi
  • Journal Title: Icarus Volume: 335
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2019.113409
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laboratory experiment and discrete-element-method simulation of granular-heap flows under vertical vibration (2019)
  • Author(s): Tsuji Daisuke、Otsuki Michio、Katsuragi Hiroaki
  • Journal Title: Phys. Rev. E Volume: 99 Pages: 062902-062902
  • DOI: 10.1103/physreve.99.062902
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Bouncing of a projectile impacting a dense potato-starch suspension layer (2019)
  • Author(s): K. Egawa and H. Katsuragi
  • Journal Title: Phys. Fluids Volume: 31
  • DOI: 10.1063/1.5095678
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Physical constraints on sand crab burrows: mechanical properties of wet sand explain the size and spatial distributions of burrows on beaches (2019)
  • Author(s): A. Shinoda, S. Fujiwara, H. Niiya, and H. Katsuragi
  • Journal Title: PLOS ONE Volume: 14
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0215743
  • 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 Burrows (2019)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Packing-dependent granular friction exerted on a rod withdrawn from a granular layer: the role of shear jamming (2019)
  • 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
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Impact-induced collapse of an inclined wet granular layer (2019)
  • 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
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Impact-induced energy transfer and dissipation in granular clusters under microgravity conditions (2018)
  • Author(s): H. Katsuragi and J. Blum
  • Journal Title: Phys. Rev. Lett. Volume: 121
  • DOI: 10.1103/physrevlett.121.208001
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Void structure stability in wet granular matter and its application to crab burrows and cometary pits (2018)
  • Author(s): A. Shinoda, S. Fujiwara, H. Niiya, and H. Katsuragi
  • Journal Title: Sci. Rep. Volume: 8
  • DOI: 10.1038/s41598-018-33978-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Shape dependence of resistance force exerted on an obstacle placed in a gravity-driven granular silo flow (2018)
  • Author(s): H. Katsuragi, K. Anki Reddy, and K. Endo
  • Journal Title: AIChE J. Volume: 64 Pages: 3849-3856
  • DOI: 10.1002/aic.16205
  • 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
• [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
• [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
• [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
  • 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
• [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
• [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
• [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
• [Presentation] Experimental study on the relaxation of slope terrain due to small-scale impact (2020)
  • Author(s): T. Omura, S. Takizawa, and H. Katsuragi
  • Organizer: JpGU-AGU Joint meeting 2020
• [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
• [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
• [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
• [Presentation] Scaling of oblique impact cratering onto inclined granular layer (2019)
  • 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
• [Presentation] Viscoelastic characterization of a solid projectile impact onto a dense potato starch suspension (2019)
  • 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
• [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
• [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）
  • 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
• [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
• [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
• [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
• [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
• [Presentation] Probing viscoelasticity of dilatant fluid by solid projectile impact (2019)
  • Author(s): K. Egawa and H. Katsuragi
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cratering and collapse of an inclined granular layer by oblipue impact of a spherical projectile (2019)
  • Author(s): S. Takizawa, R. Yamaguchi, and H. Katsuragi
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Granular flow dynamics in a vibrating system from multiple points of view: Laboratory experiments, continuum modeling, and numerical simulations (2019)
  • Author(s): D. Tsuji, M. Otsuki, and H. Katsuragi
  • Organizer: American Physical Society March Meeting 2019
  • 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
• [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) 」
• [Presentation] Solid projectile impact onto a porous dust aggregate consisting of micrometer-sized particles (2018)
  • Author(s): H. Katsuragi
  • Organizer: Southern Workshop on Granular Materials 2018
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Granular flow driven by vibration and its application to the crater relaxation process on a small planet (2018)
  • Author(s): D. Tsuji, M. Otsuki, and H. Katsuragi
  • Organizer: AGU fall meeting 2018
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Large frictional drag by shear-induced solidification of granular layer (2018)
  • Author(s): T. Furuta, S. Kumar, K. Anki Reddy, H. Niiya and H. Katsuragi
  • Organizer: Physics of Jammed Matter
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Cratering and collapse by oblique impact onto an inclined granular layer (2018)
  • Author(s): S. Takizawa and H. Katsuragi
  • Organizer: Physics of Jammed Matter
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Probing viscoelasticity of dilatant fluid by solid projectile impact (2018)
  • Author(s): K. Egawa and H. Katsuragi
  • Organizer: Physics of Jammed Matter
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Granular flow dynamics under a vibrating system (2018)
  • Author(s): D. Tsuji, M. Otsuki, and H. Katsuragi
  • Organizer: Physics of Jammed Matter
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Jamming-originated large frictional force exerted on a rod withdrawn from granular layer (2018)
  • 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
  • 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
• [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
• [Funded Workshop] Discussion meeting on Granular dynamics & Planetary terrain (2019)