Intruder sinking through a partially fluidized granular solid

Granular materials and their behavior are attracting more and more interest from scholars and researchers in recent years. These particular type of materials may exhibit different behaviors depending on the external conditions to which they are subjected; in fact they can assume both the characteristics of a solid and those of a fluid. The increase in interest in the study of granular phenomena is justified in the numerous applications concerning the world of industry; In particular it covers an area of great interest for the pharmaceutical, chemical, mining, agricultural industries, and, for us of greater attention, that in the geophysical field of the Oil & Gas sector. During this work, the gravitational motion of an intruder in a partially fluidized granular solid (composed by disks) is analyzed. Experiments are carried out in ad hoc apparatus in which the grains are horizontally agitated at the bottom, thus allowing the heavy intruder to sink despite the fact that the grains are in a regular, crystalline configuration. The motion of the intruder is intermittent. The probability distribution of the blockades follow a power law, pointing to a universal behavior. During the motion phases, the intruder sinks at constant velocity as in classical fluids. Unlike these, however, there is a strong anisotropy in the velocity fluctuations, whose change in sign hints at the phase transition experienced by the particles.

I materiali granulari e il loro comportamento stanno suscitando, negli ultimi anni, sempre più interesse da parte di studiosi e ricercatori. Questi particolari tipi di materiale possono presentare differenti comportamenti a seconda delle condizioni esterne a cui vengono sottoposti; essi infatti possono assumere sia le caratteristiche di un solido sia quelle di un fluido. L’incremento di interesse nello studio dei fenomeni granulari trova una giustificazione nelle innumerevoli applicazioni riguardanti il mondo dell’industria; In particolare ricopre un ambito di forte interesse per le industrie farmaceutiche, chimiche, minerarie, agricole, e, per noi di maggior attenzione, quella in ambito geofisico nel settore dell’Oil & Gas. Durante questo lavoro, viene analizzato il moto gravitazionale di un intruso in un solido granulare parzialmente fluidizzato (composto da dischi). Gli esperimenti vengono condotti in un apparato ad hoc in cui i grani vengono agitati orizzontalmente sul fondo, consentendo così al pesante intruso di affondare nonostante il fatto che i grani si trovino in una regolare configurazione cristallina. Il moto dell’intruso è intermittente. La distribuzione di probabilità dei blocchi segue una legge di potenza, indicando un comportamento universale. Durante le fasi di movimento, l'intruso affonda a velocità costante come nei fluidi classici. A differenza di questi, tuttavia, è presente una forte anisotropia nelle fluttuazioni di velocità, il cui cambiamento di segno suggerisce la transizione di fase sperimentata dalle particelle.