F

1
Física de Medios Granulares con aplicación a
procesos de impacto en asteroides y cometas
G.Tancredi, A. Maciel, I. Elgue S.Bruzzone,
S.Roland Depto. Astronomía, Fac.
Ciencias Observatorio Astronómico Los
Molinos PEDECIBA-Física
Sergio Nesmachnow Centro de Cálculo CECAL Fac.
Ingeniería Estudiantes de final de carrera de
Ing. de Sistemas Pablo Richeri y Laura Heredia
2
Cómo explicar estas observaciones?
Itokawa Grandes rocas en la superfice,
especialmente en los extremos
Objetos del Cinturón Principal de Asteroides que
muestran colas y comas de apariencia
cometaria denominados Main-Belt Comets
3
Modelos de estructura de Asteroides
Sólido con grandes fracturas internas
Pila de escombros cubierta por polvo
Sólido con cráteres superficiales
Aglomerado de pequeñas rocas
4
Física de Medios Granulares
Materiales Granulares revelan diferentes
comportamientos en circunstancias diferentes

• Material granular puede presentar fluidización
  que asemeja el comportamiento de fluidos flujo
  de granos a través de caños.

• Puede comportarse como sólido pila de arena

5
Efecto nueces de Brazil
Kudrolli (2004)
Fenómeno muy conocido en la Física de los Medios
Granulares
6
Medios granularesTransferencia de momento lineal
Objetos sólidosPropagación de ondas sísmicas P y
S
Newton Cradle Mecedora de Newton
7
Discrete Element Methods (DEM) Molecular Dynamics
(MD)

• La simulación numérica de la evolución de
  materiales granulares ha sido modelado
  recientemente con Discrete Element Method (DEM).
• DEM es una familia de métodos numéricos para
  calcular el movimiento de grandes números de
  partículas como moléculas o granos sometidos a
  leyes físicas dadas.
• Molecular Dynamics (MD), es un caso particular de
  DEM, cuando las partículas son moléculas
  esféricas.
• Método multidisciplinario basado en la mecánica
  estadística.
• Comparable a un experimento virtual (interfase
  entre la teoría y los experimentos de
  laboratorio).

8
Limitaciones en simulaciones DEM

• Costo Computacional
• Número de partículas (Ngt104-105)
• Cuello de botella del método Cálculo de la
  fuerza de inetreacción entre las partículas en
  cada paso de integración.
• Aproximación simple ?N(N-1)/2 operaciones por
  paso de integración.
• Pero si las partículas son esferas iguales. Cada
  partícula interactúa con, como máximo, 6. El
  número de operaciones debería ser del orden de
  ?3N
• Paso de integración debe ser
• ?t ltlt duración de las colisiones
  (típicamente 1/10-1/20 de la duración de las
  colisiones )
• Basado en la Teoría de contacto elástica de
  Hertz, la duración de las colisiones es ? ?
  v-1/5
• Típicamente ? 10-5 seg ?t10-6
  seg !!

9
ESyS-Particle https//launchpad.net/esys-particle

• Initiated by Earth Systems Science Computational
  Centre (ESSCC), University of Queensland
  (Brisbane, Australia)
• ESyS-Particle is an implementation of the
  Discrete Element Method which is
• Open Source
• Freely available
• Can be modified extended
• A user community is starting to emerge
• Fully Parallellized
• Distributed memory parallelisation using MPI
• runs on commodity hardware from Desktop PC to
  large clusters (under Linux)
• Good scaling to large number of CPUs/Cores
• As long as the problem size is scaled with the
  number of Cores, scaling is close to linear
• Very large models possible
• 1-2Million particles routinely in application
• 10M particles in tests

10
La segregación por tamañoEl caso de Itokawa
11
(No Transcript)
12
Efecto Nueces de Brasil (BNE) en asteroides

• Fue propuesto por Ausphaug et al. (2001) para
  explicar la segregación del regolito en Eros los
  movimientos estaban determinados por las
  pendientes de la gravedad superficial.

13
Simulando repetidos sismos

• Caja 3D con 6000 partículas pequeñas y una
  grande.
• Los parámetros físicos y elásticos son típicos de
  rocas. La caja esta sometida a una gravedad
  superficial dada.
• El piso se desplazan verticalmente de acuerdo a
  una función tipo escalera de la forma
• El proceso se repite cada una cierta cantidad de
  segundos que dependen del tiempo de asentamiento
  según la gravedad del lugar.
• Las simulaciones típicamente llevan 1 día de
  tiempo de CPU para 100seg en PC 2.4GHz 8Gb RAM.

14
Tierra
g9.8 m/s2 Vel5m/s
Tiempo de desplazamiento 0.1 s Tiempo entre
sismos 2s
15
Eros
Tiempo de desplazamiento 0.5 s Tiempo entre
sismos 15s
g6.1x10-3 m/s2 Vel0.01m/s
16
Itokawa
Tiempo de desplazamiento 0.1 s Tiempo entre
sismos 60s
g9.1x10-5 m/s2 Vel0.02m/s
17
Asteroides versus CometasDistinción física

• Asteroides Rocosos

• Cometas hielo polvo

18
133P/(7968) Elst-Pizarro
a3.16 AU e0.17 i1.39
Hsieh et al. (2004)
19
P/2010 A2
20
Asteroides versus CometasDistinción dinámica
Asteroides en Órbitas Cometarias o Main Belt
Comets 6 Objetos 3 Themis 1 Flora 5 con
inclt3º 3 con qlt2 UA
21
Cómo se produce esa actividad?

• Alternativas
• Nube generada por el material eyectado al
  formarse un cráter de impacto Problema El
  material se dispersa rápidamente
• Sublimación de hielos en superficie Problema
  como mantener el hielo al cabo de miles de
  millones de años. Impacto dejó expuesta una
  región debajo de la superficie con hielos.
  Problema Es estable el hielo sub-superficial al
  al cabo de miles de millones de años.
• Producción de nubes de polvo a baja velocidad
  relativa como producto de la aceleración inducida
  por un sismo generado a partir de una colisión.

22
Otros procesos de interés en Medios Granulares

• El Efecto Cocoa o Harina

23
Laboratorio de Geofísica Planetaria
Caja Que Cae CQC Generación de nubes de
polvo como producto de sismos
Caja de acrílico en cuyo interior se colocan los
granos. Se hace vacío hasta 1/10 atm. La caja
se hace caer de una altura de 30cm, e impacta en
el piso a una vel. de 2.4 m/s. Se filma con
cámaras de alta velocidad.
24
Experiencias con 3 tipos de granos
Para el talco, las partículas son eyectadas desde
la superficie a velocidades hasta de 2m/s. La
velocidad de eyección depende del tamaño de las
partículas.
25
Simulaciones de sacudidas
Diámetro asteroide 500m 90.000 partículas de
2.5-12.5 m Sin autogravedad
Proyectil 10m Vel. de impacto 5 km/s
26
Diámetro 500m 90.000 partículas de 2.5-12.5
m Proyectil 10m Vel. de impacto 5 km/s
27
Eyección de particulas
Diámetro 500m Proyectil 10m Vel. de impacto 5
km/s
v escape 0.26 m/s
28
Diámetro 2000m 90.000 partículas 10-50m v escape
1m/s Proyectil 40m Vel. de impacto 5 km/s
29
Eyección de particulas
Diámetro 2000m Proyectil 40m Vel. de impacto 5
km/s
v escape 1 m/s
30
Planes futuros

• Implementar simulaciones con
• Atracción gravitacional mutua entre las
  partículas
• Se requiere gran capacidad computacional

31
Otras aplicaciones

• Reacomodamiento de hielos y rocas en el interior
  de un cometa sometido a impactos o explosiones
  internas Caso 9P/Tempel 1 y actividad en
  extremos del objeto
• Weathering de superficies
• Formación de planetesimales
• Deflexión de un asteroide en trayectoria de
  impacto
• Pasaje de un asteroide aglomerado a través de la
  atmósfera Caso Bajada del Diablo

32
(No Transcript)