2020 Fiscal Year Annual Research Report
Fundamental physics and impact response of hierarchical granular matter
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18H03679
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
桂木 洋光 大阪大学, 理学研究科, 教授 (30346853)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 粉体 / 階層構造 / 衝突 |
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| 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．
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| 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．
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| 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．
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