工学院刘才山课题组在天然·通信发表颗粒材料中的阿基米德定律的研究成果

2018年3月16日，北京大学工学院航空航天工程系刘才山课题组在Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-018-03344-3）在线发表题为“Archimedes’law explains penetration of solids into granular media”的研究论文，报道了他们在颗粒材料动态力学性能表征方面的最新研究进展。

颗粒材料广泛存在于天然界和人类生活和生产运动中。对其力学性子的研究不仅是当前力学学科的紧张基础科学题目之一，也与诸多工程科学技术的发展密切相干，包括沙漠环境下的仿生机器人技术，冲击防护工程，地质灾难防护等。围绕我国探月工程庞大项目需求，北京大学刘才山课题组近年来体系开展了与月壤采样密切相干的颗粒物质动态力学性子及其螺旋输动力学举动等方面的研究。研究成果不仅为我国航天工程实现提供了可靠的技术保障，而且在颗粒材料力学理论研究方面取得了一些紧张基础性成果。

课题组发表在Nature Communications上的研究工作证明了颗粒材料具有复杂流体的典型特性。通过准静态压入实验，定量表征了介入体在颗粒材料中的阻力-深度特性曲线，并从理论上证明：通过引入一个与颗粒材料内摩擦角相干联的比例系数，流体力学中的经典阿基米德定律能够用来描述颗粒流的准静态阻力，即介入体准静态活动时所受阻力正比于颗粒密度和排开的材料体积。修正后的阿基米德定律中的比例系数是颗粒材料内摩擦角的强非线性函数。该理论效果不仅能够被课题组自身的实验所证明，而且能够被已有文献的实验效果所验证。

刚性介入体压入过程中形成的颗粒材料固化区（粉红色三角形AOB）以及流化区（绿色部分）

不同颗粒材料（玻璃、小米、天然沙）的准静态无量纲压力-深度曲线（左图），扩展的阿基米德定律中的比例系数（右图）

该项研究不仅在颗粒材摒挡论研究方面具有紧张的理论价值，而且已应用到探月工程月壤采样钻采工艺规程设计当中。文章第一和第二作者分别是北京大学工学院博士生康文婷和冯亚杰，通信作者是北京大学工学院刘才山教授，合作者为剑桥大学R. Blumenfeld教授。该研究得到了国家天然科学基金委和航天科技集团第五研究院卫星制造厂（探月工程月壤钻采总体单位）的资助。

编辑：山石

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