A systematic investigation of the gravity dependence of static and dynamic angles of repose from 0.01g to 1g
यह अध्ययन चीन अंतरिक्ष स्टेशन पर नियंत्रित हिमस्खलन (एवलांच) प्रयोगों का उपयोग यह प्रदर्शित करने के लिए करता है कि जबकि स्थैतिक विश्राम कोण (स्टैटिक एंगल ऑफ रिपोज़) 0.01g से 1g तक के गुरुत्वाकर्षण स्तरों में स्थिर रहता है, गतिशील विश्राम कोण (डायनेमिक एंगल ऑफ रिपोज़) लगभग 0.16g तक गुरुत्वाकर्षण के साथ बढ़ता है और फिर संतृप्त हो जाता है, जो एक गुरुत्वाकर्षण-निर्भर रोलिंग घर्षण गुणांक के कारण होने वाले व्यवहार को दर्शाता है जो छोटे सौर मंडल के पिंडों पर रेगोलिथ के मॉडलों में महत्वपूर्ण सुधार करता है।
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गुरुत्वाकर्षण वह अदृश्य हाथ है जो ढीले, दानेदार पदार्थों की दुनिया को आकार देता है, समुद्र तट पर मौजूद रेत से लेकर एक क्षुद्रग्रह (एस्टरॉयड) की सतह पर जमी धूल तक। जब आप रेत को एक ढेर में डालते हैं, तो यह स्वाभाविक रूप से एक विशिष्ट ढलान के साथ एक शंकु बनाता है। यह ढलान, जिसे 'एंगल ऑफ रिपोज़' (विश्राम कोण) कहा जाता है, एक मौलिक गुण है जो वैज्ञानिकों को यह बताता है कि किसी सामग्री का ढेर कितना स्थिर होगा। यदि ढलान बहुत अधिक तीव्र है, तो सामग्री नीचे की ओर फिसल जाएगी; यदि यह पर्याप्त कोमल है, तो यह अपनी जगह पर टिकी रहेगी। यह अवधारणा उन लोगों के लिए महत्वपूर्ण है जो चंद्रमा पर निर्माण करने, मंगल पर रोवर चलाने या एक छोटे क्षुद्रग्रह पर अंतरिक्ष यान उतारने की योजना बना रहे हैं, जहाँ ज़मीन अक्सर चट्टान और धूल की एक ढीली परत होती है। दशकों से, वैज्ञानिक इस बात पर बहस कर रहे हैं कि गुरुत्वाकर्षण कमजोर होने पर यह कोण कैसे बदलता है। कुछ कंप्यूटर मॉडलों ने सुझाव दिया कि कोण समान रहता है, जबकि अन्यों ने संकेत दिया कि कणों के बीच की परस्पर क्रिया के आधार पर यह अधिक तीव्र या कम गहरा हो सकता है। उत्तर मिलना कठिन था क्योंकि पृथ्वी पर एक स्थिर, निम्न-गुरुत्वाकर्षण वातावरण बनाना अविश्वसनीय रूप से कठिन है, और पिछले अल्प-अवधि के प्रयोग पूर्ण चित्र प्रस्तुत करने में सक्षम नहीं थे।
इस पहेली को सुलझाने के लिए, शोधकर्ताओं की एक टीम अपने प्रयोग को अंतरिक्ष में, विशेष रूप से चीन अंतरिक्ष स्टेशन में ले गई। उन्हें एक ऐसा तरीका चाहिए था जिससे वे एक स्थिर, कृत्रिम गुरुत्वाकर्षण बना सकें जिसे पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण से कहीं अधिक कमजोर स्तरों तक कम किया जा सके, ताकि क्षुद्रग्रहों और चंद्रमाओं में पाए जाने वाले वातावरण का अनुकरण किया जा सके। उन्होंने एक विशेष सेंट्रीफ्यूज (अपकेंद्राभिगत यंत्र) का उपयोग किया, जो एक घूमने वाला उपकरण है जो घूर्णन द्वारा गुरुत्वाकर्षण उत्पन्न करता है, जिसे एक अनुसंधान रैक के भीतर लगाया गया था। इस मशीन के अंदर, उन्होंने ज़िरकोनियम ऑक्साइड के सूखे गोलों से भरा एक छोटा, पारदर्शी बॉक्स रखा, जो लगभग एक मिलीमीटर व्यास के कांच जैसे छोटे दाने थे। इस सेटअप ने उन्हें पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण के 0.01 गुना के बहुत कमजोर स्तर से लेकर पृथ्वी के अपने गुरुत्वाकर्षण से थोड़ा अधिक तक गुरुत्वाकर्षण को नियंत्रित करने की अनुमति दी। बॉक्स के भीतर एक दीवार को सावधानीपूर्वक हिलाकर, वे मोतियों को ढलान (एवलांच) बनाने के लिए प्रेरित कर सकते थे, चाहे वह बहुत धीरे हो (एक कोमल फिसलन की नकल करने के लिए) या बहुत तेज़ी से (एक तीव्र पतन का अनुकरण करने के लिए)। हाई-स्पीड कैमरों ने, दर्पणों के एक चतुर सिस्टम का उपयोग करके जो तंग जगह में कोनों के चारों ओर देख सकते थे, मोतियों के नए ढेर में बैठने के दौरान हुई हर हलचल को रिकॉर्ड किया।
परिणामों ने इस बात का खुलासा किया कि सामग्री कैसे व्यवहार करती है, इसके बीच लगभग स्थिर होने और चलते समय के व्यवहार में एक आश्चर्यजनक अंतर है। जब मोतियों को बहुत धीरे-धीरे जमने दिया गया, तो ढेर का कोण बिल्कुल वही रहा, चाहे गुरुत्वाकर्षण कितना भी कमजोर क्यों न हो गया हो। यह लगभग 22.4 डिग्री पर स्थिर रहा। यह खोज इस लंबे समय से चली आ रही धारणा की पुष्टि करती है कि दो स्थिर कणों के बीच का बुनियादी घर्षण स्वयं सामग्री का एक अंतर्निहित गुण है और केवल इसलिए नहीं बदलता क्योंकि गुरुत्वाकर्षण कमजोर हो जाता है। हालाँकि, कहानी पूरी तरह से बदल गई जब मोतियों को तेजी से लुढ़कने और फिसलने दिया गया। इन गतिशील स्थितियों में, ढेर का कोण स्थिर नहीं रहा। जब गुरुत्वाकर्षण पृथ्वी के स्तर से घटकर पृथ्वी के 0.16 गुना तक गिर गया, तो कोण केवल थोड़ा कम हुआ। लेकिन एक बार जब गुरुत्वाकर्षण उस सीमा से नीचे गिर गया, जो छोटे क्षुद्रग्रहों के विशिष्ट दायरे में आता है, तो कोण बहुत अधिक तेजी से गिरा, और लगभग 19.6 डिग्री पर स्थिर हो गया।
यह समझने के लिए कि ऐसा क्यों हुआ, शोधकर्ताओं ने कंप्यूटर सिमुलेशन का सहारा लिया जो उनके अंतरिक्ष प्रयोग की सटीक स्थितियों की नकल करते थे। इन सिमुलेशन ने एक विशिष्ट भौतिक तंत्र की ओर इशारा किया: कणों के एक-दूसरे के विरुद्ध लुढ़कने का तरीका। जब गुरुत्वाकर्षण मजबूत होता है, तो कणों का भार उन्हें मजबूती से दबाता है, जिससे लुढ़कने के प्रति महत्वपूर्ण प्रतिरोध पैदा होता है। जैसे-जैसे गुरुत्वाकर्षण कमजोर होता है, यह दबाव कम होता जाता है, और लुढ़कने का प्रतिरोध नाटकीय रूप से गिर जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह 'रोलिंग रेजिस्टेंस' (लुढ़कने का प्रतिरोध), जो चलते हुए कणों पर ब्रेक की तरह कार्य करता है, एक विशिष्ट नियम का पालन करता है जहाँ यह गुरुत्वाकर्षण के कमजोर होने के साथ कमजोर होता जाता है। रोलिंग रेजिस्टेंस में यह कमी कणों को बहुत कम गुरुत्वाकर्षण में फिसलने और एक सपाट, अधिक फैले हुए ढेर में जमने की अनुमति देती है। यह अध्ययन प्रत्यक्ष प्रयोगात्मक प्रमाण प्रदान करता है कि यह लुढ़कने वाला प्रभाव ही कम गुरुत्वाकर्षण में दानेदार ढेरों के बदलते आकार के पीछे का मुख्य चालक है।
ये निष्कर्ष इस बात की स्पष्ट तस्वीर पेश करते हैं कि सौर मंडल के पिंडों और क्षुद्रग्रहों की सतहें कैसे व्यवहार करती हैं। तथ्य यह है कि बहुत कम गुरुत्वाकर्षण में 'एंगल ऑफ रिपोज़' काफी बदल जाता है, इसका अर्थ है कि लैंडस्लाइड (भूस्खलन), लैंडिंग साइट्स की स्थिरता और क्षुद्रग्रहों पर सतह की विशेषताओं के निर्माण की भविष्यवाणी करने के लिए उपयोग किए जाने वाले मॉडलों को अपडेट करने की आवश्यकता है। शोध बताता है कि पृथ्वी जैसे गुरुत्वाकर्षण से क्षुद्रग्रह जैसे गुरुकर्षण के बीच का संक्रमण एक सहज, क्रमिक बदलाव नहीं है, बल्कि इसमें सामग्री के प्रवाह के तरीके में एक स्पष्ट परिवर्तन शामिल है। इस प्रभाव को एक नियंत्रित अंतरिक्ष वातावरण में अलग करके, टीम ने एक विश्वसनीय डेटा सेट प्रदान किया है जिसका उपयोग इंजीनियर और वैज्ञानिक सुरक्षित मिशनों को डिजाइन करने और हमारे सौर मंडल के सबसे छोटे संसारों के भूविज्ञान को बेहतर ढंग से समझने के लिए कर सकते हैं।
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