Poromechanika
Poromechanika jest gałęzią fizyki , a konkretnie mechaniki kontinuum i akustyki , która bada zachowanie porowatych mediów nasyconych płynem . Ośrodek porowaty lub materiał porowaty to ciało stałe zwane matrycą , przez które przenika sieć połączonych ze sobą porów (pustek) wypełnionych płynem ( cieczą lub gazem) ). Zwykle zakłada się, że zarówno stała matryca, jak i sieć porów lub przestrzeń porów są ciągłe, tak że tworzą dwa wzajemnie przenikające się continua, takie jak w gąbce. Substancje naturalne, w tym skały , gleba , tkanki biologiczne , w tym serce i kość gąbczasta , oraz materiały wytworzone przez człowieka, takie jak pianki i ceramika , można uznać za ośrodki porowate. Porowate ośrodki, których stała matryca jest elastyczna , a płyn jest lepki nazywane są poroelastycznymi. Ośrodek porowaty charakteryzuje się swoją porowatością , przepuszczalnością oraz właściwościami jego składników (matrycy stałej i płynu).
Koncepcja ośrodka porowatego pierwotnie pojawiła się w mechanice gruntów , aw szczególności w pracach Karla von Terzaghiego , ojca mechaniki gruntów. Jednak bardziej ogólna koncepcja ośrodka poroelastycznego, niezależnie od jego natury lub zastosowania, jest zwykle przypisywana Maurice'owi Anthony'emu Biotowi (1905–1985), belgijsko-amerykańskiemu inżynierowi. W serii prac opublikowanych w latach 1935-1962 Biot rozwinął teorię porowatości dynamicznej (obecnie znana jako teoria Biota), która daje pełny i ogólny opis mechanicznego zachowania ośrodka poroelastycznego. Równania Biota liniowej teorii porowatości wywodzą się z równań liniowej sprężystości dla stałej matrycy, równań Naviera-Stokesa dla lepkiej cieczy i prawa Darcy'ego dla przepływu płynu przez porowatą matrycę.
Jednym z kluczowych ustaleń teorii poroelastyczności jest to, że w ośrodkach poroelastycznych istnieją trzy rodzaje fal sprężystych : fala ścinająca lub poprzeczna oraz dwa rodzaje fal podłużnych lub ściskających, które Biot nazwał falami typu I i typu II. Fala poprzeczna i fala podłużna typu I (lub szybka) są podobne odpowiednio do fal poprzecznych i podłużnych w elastycznej bryle. Powolna fala ściskająca (znana również jako wolna fala Biota) jest unikalna dla materiałów poroelastycznych. Przewidywanie powolnej fali Biota wzbudziło pewne kontrowersje, dopóki nie zostało to zaobserwowane eksperymentalnie przez Thomasa Plonę w 1980 r. Innymi ważnymi wczesnymi współtwórcami teorii poroelastyczności byli Jakowa Frenkla i Fritza Gassmanna .
Konwersja energii z szybkich fal ściskających i ścinających w silnie tłumiącą wolną falę ściskającą jest istotną przyczyną tłumienia fali sprężystej w ośrodkach porowatych.
Niedawne zastosowania poroelastyczności w biologii, takie jak modelowanie przepływów krwi przez bijący mięsień sercowy, również wymagały rozszerzenia równań na nieliniową (duże odkształcenie) sprężystość i uwzględnienia sił bezwładności.
Zobacz też
Dalsza lektura
- Ryż JR, poseł Cleary (1976). „Niektóre podstawowe rozwiązania dyfuzji naprężeń dla elastycznych porowatych mediów nasyconych płynem ze składnikami ściśliwymi”. Recenzje geofizyki i fizyki kosmicznej . 14 (2): 227–241. Bibcode : 1976RvGSP..14..227R . doi : 10.1029/RG014i002p00227 .
- Bourbie T, Coussy O, Zinszner B (1987). Akustyka ośrodków porowatych . Houston: Gulf Publication Company.
- Nigmatulina RI (1990). Dynamika mediów wielofazowych . Waszyngton, DC: półkula.
- Allarda JF (1993). Rozchodzenie się dźwięku w ośrodkach porowatych: modelowanie materiałów dźwiękochłonnych . Londyn: Chapman & Hall.
- Chapelle D, Moireau P (2014). „Ogólne sprzężenie przepływów porowatych i preparatów hiperelastycznych: od zasad termodynamiki do bilansu energetycznego i zgodnych schematów czasowych” . Europejski Dziennik Mechaniki B. 46 : 82–96. Bibcode : 2014EJMF...46...82C . doi : 10.1016/j.euromechflu.2014.02.009 .