湿颗粒介质中侵入体运动的微观力学

我们研究了在由浸于水中的透明颗粒水凝胶组成的沉积介质中运动的侵入体所遇到的有效摩擦，以及由此产生的介质运动。我们表明，球形侵入体上的有效摩擦 $\mu_e$ 由惯性数 $I$ 刻画，该数由侵入体运动的时间尺度与由上覆压力设定的颗粒介质的惯性时间尺度之比给出。此外，$\mu_e$ 由函数 $\mu_e(I) = \mu_s + \alpha I^\beta$ 描述，其中 $\mu_s$ 为静摩擦，$\alpha$ 和 $\beta$ 为依赖于材料的常数，且与侵入体深度和尺寸无关。通过测量侵入体周围颗粒组分的平均流动，我们发现侵入体与颗粒介质之间存在显著滑移。与黏性牛顿流体相比，介质的运动被强烈限制在侵入体附近，且其量级为侵入体尺寸。随着侵入体深度增加，介质的回流发生在更靠近侵入体的位置。此外，我们不仅跟踪侵入体下移时的介质，还在将侵入体返回至其原始深度时跟踪介质，从而研究了介质的可逆与不可逆位移。我们发现，在准静态 regime 下，以及在所探测的 $I$ 范围内 $\mu_e$ 快速增加时，流动基本保持可逆。