Formação de padrões em meios granulares

Abstract

Em nosso trabalho, estudamos a formação de padrões na interface entre dois tipos de materiais granulares em uma célula de Hele-Shaw. Diferentes tipos de padrões, variando de desde quase-circulares a até padrões com dedos, formaram- se variando a razão entre o tamanho dos grãos e o espaçamento da célula. A transição de padrões com dedos para padrões arredondados parece ser contínua. Foi obtida a transformada de Fourier para os padrões com e sem dedos, sendo que padrões com dedos apresentam seleção de modos, ao contrário do que ocorre para os padrões sem dedos. A dependência do raio de giração e do número de partículas na borda do padrão foi estudada em função do número de partículas dentro do padrão. Observamos que tanto o raio de giração quanto o número de partículas na borda do padrão obedecem a leis de potência. A análise da rugosidade da borda dos padrões mostrou que o expoente de Hurst decresce à medida que os padrões se tornam mais arredondados. A rugosidade não obedece a uma lei de potência com o tempo. Para padrões com dedos a rugosidade aumenta com o tempo e à medida que os padrões se tornam mais regulares ela parece tender a um valor de saturação. A formação dos dedos é explicada em termos da transmissão de forças através dos grãos.

In this work we study the pattern formation in the interface between two types of granular materials in a Hele-Shaw cell. Different types of patterns, ranging from almost circular to fingered ones were observed, varying the ratio between the size of the grains and the cell spacing. The transition from patterns with fingers to rounded patterns seems to be continuous. The Fourier transform was obtained for the patterns with and without fingers. Patterns that present fingers showed mode selection, contrary to what happens for the rounded patterns. The dependence of the gyration radius and the number of particles at the border of the pattern was studied as a function of the number of particles inside the pattern. We observed that the gyration radius as well as the number of particles at the border of the pattern follow power laws. Analyses of the pattern border roughness showed that the Hurst exponent decreases as the patterns become more rounded. The roughness does not obey a power law with time. For the patterns with fingers the roughness increases with time and as the patterns become more regular it seem to tend to a saturation value. Finger formation is explained in terms of force transmission through the grains.