A systematic investigation of the gravity dependence of static and dynamic angles of repose from 0.01g to 1g
本研究利用中国空间站上的受控雪崩实验证明，尽管静止安息角在从0.01g到1g的重力水平下保持不变，但动态安息角随重力增加至约0.16g前会不断上升并趋于饱和，这种行为归因于与重力相关的滚动摩擦系数，从而显著改进了对太阳系小天体上月壤模型的描述。
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重力是塑造松散颗粒物质世界的无形之手，从沙滩上的沙粒到小行星表面的尘埃皆是如此。当你将沙子倒入一堆时，它自然会形成一个具有特定陡峭度的圆锥体。这种陡峭度被称为休止角（angle of repose），它是衡量一堆材料稳定性的一项基本属性。如果坡度过陡，材料就会下滑；如果坡度足够平缓，则能保持稳定。对于任何计划在月球上建造、在火星上驾驶漫游车或在小型小行星上着陆航天器的人来说，这一概念都至关重要，因为那里的地面通常是由松散的岩石和尘埃组成的。几十年来，科学家们一直在争论当重力减弱时，这个角度会如何变化。一些计算机模型表明该角度保持不变，而另一些模型则暗示，根据颗粒相互作用的方式不同，角度可能会变得更陡或更缓。由于在地球上创造一个稳定的低重力环境极其困难，且以往的短期实验无法捕捉到全貌，这些答案一直难以捉摸。
为了解开这个谜团，研究小组将他们的实验带到了太空，具体是在中国空间站。他们需要一种方法来创造一种稳定的、可以调低至远低于地球重力水平的人造重力，以模拟小行星和卫星上的环境条件。他们在研究架内使用了一个专门的离心机，这是一种通过旋转产生重力的旋转装置。在该机器内部，他们放置了一个装满干氧化锆球体的透明小盒子，这些球体是直径约一毫米的微小类玻璃珠。该装置使他们能够控制重力，范围从极弱的地球重力的0.01倍到略高于地球自身的重力。通过小心移动盒子内的一面墙，他们可以让这些珠子发生崩塌，既可以是模拟缓慢滑动的极慢崩塌，也可以是模拟快速坍塌的快速崩塌。高速摄像机利用一套巧妙的镜面系统，在狭窄的空间内实现绕过角落观察，记录了珠子在沉降成新堆积物时的每一次运动。
结果揭示了材料在几乎静止与运动状态下行为之间令人惊讶的分歧。当珠子被允许非常缓慢地沉降时，无论重力变得多么微弱，堆积物的角度都保持完全一致。它稳定在约22.4度。这一发现证实了一个长期以来的观点，即两个静止颗粒之间的基本摩擦力是材料本身的一种内在属性，并不会因为重力变弱而改变。然而，当珠子开始快速翻滚和滑动时，情况却完全不同了。在这些动态情况下，堆积物的角度并未保持恒定。当重力从地球水平下降到约0.16倍地球重力时，角度仅略微下降。但一旦重力跌破该阈值，进入典型的小行星重力范围，角度就会大幅下降，稳定在约19.6度。
为了理解为什么会发生这种情况，研究人员使用了模拟其空间实验精确条件的计算机模拟。这些模拟指向了一个特定的物理机制：颗粒相互滚动的方式。当重力较强时，颗粒的重量将它们紧紧压在一起，产生了显著的滚动阻力。随着重力减弱，这种挤压力减小，滚动阻力也随之剧烈下降。研究人员发现，这种作为运动颗粒“刹车”的滚动阻力遵循一个特定规则，即随着重力减弱，阻力也会随之减弱。这种滚动阻力的降低使得颗粒在极低重力下能够滑动并沉降成更平坦、更分散的堆积物。该研究提供了第一个直接的实验证据，证明这种滚动效应是驱动低重力下颗粒堆积形状变化的背后关键因素。
这些发现为太阳系中小天体的表面行为提供了更清晰的图景。由于休止角在极低重力下会发生显著变化，这意味着用于预测小行星上滑坡、着陆点稳定性以及表面特征形成的模型需要进行更新。研究表明，从类地重力到类小行星重力的转变并非平滑、渐进的过程，而是涉及物质流动方式的明显变化。通过在受控的空间环境中隔离这一效应，该团队为工程师和科学家提供了一套可靠的数据集，使他们能够设计更安全的任务，并更好地理解我们太阳系中最小世界的地质构造。
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