Sinking of heavy intruders in a partially-fluidized granular material

In this thesis, we investigate the gravitational motion of an intruder in a partially-fluidized granular material. The bottom of a 2D layer of glass spheres arranged in a regular pattern (thus forming granular solid crystals) is horizontally vibrated. This allows a heavier-than-grains intruder to slowly sink from its initial position at the surface of the spheres. The time evolution of the position of the centre of mass of the intruder is measured via image analysis techniques. The sinking motion of the intruder is intermittent as long as the intruder remains immersed in the solid crystals: the agitation induced by the horizontal vibrator causes the formation of fractures in the solid phase of grain-to-grain contacts, immediately followed by avalanches that drive the motion of the intruder. When this happens, the vertical motion of the coin can be interpreted as uniformly accelerated. When the coin reaches the fluidized region next to the vibrator, the sinking proceeds at constant velocity, as previously observed in full-fluidized systems.

In questa tesi, abbiamo studiato il moto gravitazionale di una moneta in un materiale granulare parzialmente fluidizzato. Si è voluto mettere in agitazione orizzontalmente il fondo di uno strato 2D di sfere di vetro, disposte con uno schema regolare (così da formare un solido cristallino granulare). Questo ha permesso alla moneta, più pesante dei grani, di affondare lentamente dalla sua posizione iniziale posta alla superficie delle sfere di vetro. Si è misurata, grazie alle tecniche di analisi di immagine, l’evoluzione nel tempo della posizione del centro di massa della moneta. Il moto di affondamento della moneta risulta a tratti, fino a che la moneta rimane all’interno del solido cristallino. La vibrazione indotta dal motore causa la formazione di fratture nei contatti tra i grani, seguite immediatamente da delle valanghe, le quali guidano il movimento della moneta. Quando ciò accade, il moto verticale della moneta può essere interpretato come uniformemente accelerato. Mentre, quando la moneta raggiunge la regione fluidizzata vicina alla vibrazione indotta dal motore, l’affondamento procede a velocità costante, come fu precedentemente osservato in sistemi completamente fluidizzati.