Name: Laboratorio torres de caída para el experimental Simulación de colisiones de polvo acumuladas en el Sistema Solar temprano (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-06-05T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 44 s
Description: Aprende a simular colisiones entre agregados de polvo en torres de vacío para estudiar la formación planetaria. Este método experimental permite analizar pérdida de energía, transferencia de masa y fragmentación en condiciones de microgravedad.

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Los autores agradecen al Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), al Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) y a la TU Braunschweig por su continuo apoyo a nuestras actividades de laboratorio. La torre de caída de baja velocidad se ha establecido bajo la subvención DLR 50WM0936, la torre de caída de alta velocidad se ha desarrollado bajo la subvención DFG INST 186/959-1 como parte del CRC 963 "Inestabilidades y turbulencias de flujo astrofísico".

PRECAUCIÓN: En función de la peligrosidad de las partículas de segunda mano, que se pueden encontrar en las correspondientes hojas de seguridad, protección de la boca y el equipo de seguridad deben ser usados ​​por la persona que trabaja con el polvo. También se recomienda utilizar un sistema de aspiración de mantener el ambiente libre de polvo-aire. 1. Preparación de muestras de polvo de agregado cm de tamaño <ol><li> Calcular la cantidad de material requerido por m = Φ ρ 0 V, donde m es la masa requerida, Φ es el factor volumen de llenado deseado (volumen factor de llenado = 1 - porosidad), ρ 0 es la densidad del material, y V es el volumen de la muestra. Se requiere 77 g de polvo de silicato irregular (ρ 0 = 2,6 g / cm 3) para lograr una porosidad de la muestra de 70% (factor de volumen de llenado = 0,3) para una muestra cilíndrica de 5 cm de diámetro y la altura, respectivamente. Nota: La formación de pla terrestreredes comienza con la coagulación de partículas de polvo de tamaño micrométrico - predominantemente compuestas por silicatos - en cuerpos porosos cm de tamaño. Un material análogo de laboratorio bien estudiado y adecuado es de SiO 2, que está disponible como polvo de forma irregular con una distribución de tamaño en el intervalo de 0,5 a 10 micras, así como en la forma de granos esféricas monodispersas para una mejor comparabilidad con los modelos teóricos (véase la Tabla 1 y Figura 1). </li></ol><table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="569"><tbody><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;width:161px;"> SiO2-monómero de tipo de grano </td><td style="width:96px;"> Fabricante </td><td style="width:119px;"> El diámetro de partícula </td><td style="width:95px;"> Forma de la partícula </td><td style="width:100px;"> Ejemplo figura </td></tr><tr height="21"><td height="21" style="height:21px;"> Monodispersa </td><td> Micromod </td><td> 1,52 ± 0,06 y# 181; m </td><td> Esférico </td><td> Figura 1 (izquierda) </td></tr><tr height="20"><td height="20" style="height:20px;"> Polidispersos </td><td> Sigma-Aldrich </td><td> 0,1 a 10 micras </td><td> Irregular </td><td> La figura 1 (a la derecha) </td></tr></tbody></table> Tabla 1. Características de las partículas de SiO2 utilizados en los experimentos de colisión de polvo agregado. <img alt="Figura 1" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" width="500" /> Figura 1. Imágenes de microscopía de electrones de la monodispersa (izquierda) y polidispersa (derecha) SiO 2 partículas utilizadas para la producción de agregados de polvo macroscópicos. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig1highres.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <olstart = &quot;2&quot;&gt; <li> Tome un recipiente con partículas de SiO2 de tamaño micrométrico (ver Tabla 1) y se vierte su contenido sobre un tamiz con un tamaño de malla de 0,5 mm. Tamizar una cantidad suficiente de material y llenar la masa calculada en el molde. Comprimir el material en el molde empujando un pistón con la mano hasta que se alcanza la altura de la muestra (por ejemplo, 5 cm). Da la vuelta al molde en el pistón, abra la placa base y empuje suavemente la muestra fuera. Nota: Las muestras se pueden producir en varias formas (esférica y cilíndrica), tamaños (1 mm a 10 cm) y porosidades (60 a 85%) (véase la Figura 3). Las muestras entonces se pueden utilizar individualmente en los experimentos de colisión o combinan en grupos, que luego chocan con otros agregados o conglomerados. </li></ol><img alt="Figura 2" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Figura 2. Fotografía del. la variación de tamaños y formas de la muestra de polvo agregada se muestran los siguientes ejemplos: cilindros de polvo con 1 cm, 2 cm y 5 cm de diámetro (fila de atrás), esferas de polvo con 1 cm y 2 cm de diámetro (fila central), y 2-3 mm de tamaño de Al 2 O 3 esferas (delanteros). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig2highres.jpg" target="_blank">Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <ol start="3"><li> Caracterizar las muestras con respecto a la porosidad y la homogeneidad. Si las muestras caen fuera de los márgenes permitidos, producir nuevas muestras. <ol><li> Con el fin de determinar la porosidad de la muestra de polvo, determinar su volumen mediante la medición de sus dimensiones y su masa por medio de un equilibrio preciso. </li><li> Utilice la tomografía de rayos X (XRT) 12 para obtener información sobre la homogeneidad y distribución de tamaño de poro de la muestra producida. Nota: Para los agregados de polvo 5 cm de tamaño, encontramos desviaciones de la media del volumen de llenado factoR, es decir, la relación de la densidad de masa de la muestra y la densidad del material de las partículas de monómero de polvo, de sólo alrededor de 1% dentro de la mayor parte del volumen de las muestras y un aumento ligeramente mayor del factor de volumen de llenado hasta en un 8% hacia los límites exteriores 12. Figura 3 muestra una reconstrucción XRT de un corte a través de un agregado de polvo cilíndrico de 5 cm de diámetro y 5 cm de altura. No utilizamos XRT para cada agregado de polvo pero examinamos la estructura interna y la homogeneidad de las muestras aleatorias. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 3" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" fo:content-width="5in" width="500" /> Figura 3. Reconstrucción de la estructura interna de una muestra de polvo-agregado cilíndrico de 5 cm de altura y 5 cm de diámetro después de XRT análisis. La escala de grises denota el factor volumen de llenado, que es la relación de la densidad de masa de tque muestra y la densidad del material de las partículas de monómero de polvo. A partir de la reconstrucción de XRT, es claramente visible que esta muestra de alta porosidad se ensambla utilizando agregados de polvo mm de tamaño. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig3highres.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> 2. Principio de instalación de torre de caída <ol><li> Mecanismos de la versión: En la parte superior de la torre de caída dos mecanismos de liberación están unidos uno en la parte superior de la otra. Cada uno de ellos tiene una muestra y lo libera en caída libre. La diferencia de tiempo entre la liberación de la parte superior e inferior de la partícula determina la velocidad relativa de la colisión. De acuerdo con la morfología y la forma de las partículas, se eligen mecanismos de liberación apropiados. Si se utiliza un mecanismo de aceleración de partículas, sólo se requiere un mecanismo de liberación. <ol><li> Mecanismo de liberación de partículas-en-un-string (muestras esféricas, upppartícula er): Este mecanismo de liberación consiste en un imán solenoide lineal y un metal sólido contador de piezas. <ol><li> Conecte la partícula que se publicará en una cadena. Sostenga la secuencia en el lugar por sujetándolo entre el imán solenoide y el metal mostrador pieza sólida. </li><li> Para liberar la partícula, aplicar una corriente eléctrica al imán de solenoide (ver Película 1). </li></ol></li><li> Trampilla mecanismo de liberación (muestras esféricas, partícula inferior): Este mecanismo de liberación se compone de un imán de solenoide giratorio al que está unido un soporte de partículas. <ol><li> Coloque la partícula en un molde semi-esférica, que se hace girar hacia abajo por un solenoide de rotación cuando se aplica una corriente eléctrica (véase la Película 1). </li><li> Este mecanismo también se puede utilizar para la liberación de racimos de partículas o grumos agregados. En este último caso, montar dos mecanismos de liberación trampilla encima de la otra (véase Movie 2). </li></ol&gt; </li><li> Mecanismo de tijera doble liberación (muestras cilíndricas): Este mecanismo de liberación consiste en dos pares de imanes solenoides giratorios a la que se adjunta una barra de metal. Los dos imanes de solenoide de cada mecanismo de liberación se colocan de tal manera que las dos varillas de metal son paralelos. <ol><li> Coloque las dos muestras en las dos barras paralelas cada una. </li><li> Aplicar una corriente eléctrica a los dos solenoides de rotación para liberar las partículas en caída libre. (Ver Movie 3). </li></ol></li><li> Mecanismo de doble ala liberación trampilla (muestras cilíndricas, en combinación con el mecanismo de aceleración de partículas): Este mecanismo de liberación consta de dos placas de metal de resorte, que en conjunto forman un soporte de partículas en forma de v. Las dos placas de metal se mantienen en su lugar por una barra de metal, que está unido a un imán solenoide giratorio. <ol><li> Coloque la muestra cilíndrica de polvo sobre la trampilla cerrada. </li><li> Desbloquear la trampilla mediante la aplicación deuna corriente eléctrica al imán de solenoide. Para evitar que despide-detrás de las puertas, frenos de corrientes parásitas que se detengan (ver Película 4). Nota: Es importante liberar las partículas en caída libre sin velocidad inicial y la rotación. Con este fin se han desarrollado varios mecanismos de liberación (2.1.1 - 2.1.4). </li></ol></li></ol></li><li> Mecanismos de aceleración de partículas: Acelera las partículas ya sea por un resorte precargado o por una etapa lineal electro-magnéticamente accionado. Ambos aceleradores pueden ser equipados con soportes de muestra de partículas de forma diferente. </li> <li> Electrónica de control: Ajuste el temporizador y suelte la electrónica para los valores apropiados para alcanzar la velocidad deseada y colisión para utilizar la cámara en un recuadro central de masa. Nota: El momento de la liberación de partículas, aceleración de partículas y la liberación de la cámara se realiza mediante un conjunto de temporizadores electrónicos, cuya funcionalidad se explica en Movie 5. </li></ol> 3. Experimentos escénicas <ol><li> Colisiones de baja velocidad (pequeña torre de caída): <ol><li> Cargue las muestras en el mecanismo de doble liberación de tipo tijera y cerca de tubo de vidrio al vacío. </li><li> Iniciar la evacuación y establecer los parámetros de temporizador. </li><li> Conecte las cámaras a sus unidades de liberación magnéticos. Iniciar grabación de la cámara continua. Nota: Debido a la alta intensidad del LED de iluminación de campo brillante, un tiempo de exposición suficientemente corto de la cámara de alta velocidad puede ser elegido de modo que el movimiento de las partículas durante la exposición es insignificante. Además de eso, el F-parada del objetivo de la cámara se debe establecer en valores suficientemente altos como para extender la profundidad de foco sobre todo el diámetro de la torre de caída. </li><li> Cuando se alcanza la calidad de vacío deseado, encender la iluminación, pulse el botón de inicio y descargar las secuencias de imágenes. </li></ol></li><li> Las colisiones de alta velocidad (gran torre de caída): <ol><li> Cargue las muestras en la doble victoriag trampilla mecanismo de liberación y el acelerador y cerrar el tubo de vidrio al vacío. </li><li> Iniciar la evacuación y establecer los parámetros de temporizador. </li><li> Iniciar grabación de la cámara continua. Cuando se alcanza la calidad de vacío deseado, encender la iluminación y pulse el botón de inicio. Descargar las secuencias de imágenes. Nota: Debido a la alta intensidad del LED de iluminación de campo brillante, un tiempo de exposición suficientemente corto de la cámara de alta velocidad puede ser elegido de modo que el movimiento de las partículas durante la exposición es insignificante. Además de eso, el F-parada del objetivo de la cámara se debe establecer en valores suficientemente altos como para extender la profundidad de foco sobre todo el diámetro de la torre de caída. </li></ol></li></ol> 4. Experimentos Ejemplo <ol><li> Cargar las muestras con cuidado en el mecanismo de liberación adecuado. <ol><li> Colisiones de baja velocidad (mecanismo de liberación doble; 0,09 m / s): 5 cm frente a 5 cm, que rebota. Cargar las muestras en dos mecanismos de liberación de tipo tijera. Aalcanzar velocidades de colisión de 0,09 m / seg, coloque la partículas de 7 mm entre sí y establecer el tiempo de retardo de los mecanismos de liberación de 9 ms. Nota: A esta velocidad de impacto, las muestras de polvo rebotan entre sí después de la colisión. La secuencia de imágenes es capturado por una cámara de alta velocidad de caída libre (ver Película 6). </li> <li> Las colisiones de alta velocidad (de aceleración electromagnética; 7,4 m / s): 2 cm vs 2 cm, la fragmentación. Cargue una muestra sobre el mecanismo de liberación trampilla de doble ala; colocar la otra muestra en el soporte de la muestra del acelerador-etapa lineal. Nota: Para lograr velocidades de colisión de 7,4 m / s, el agregado de polvo inferior se aceleró suavemente hacia arriba con 2 g, al mismo tiempo que el agregado de polvo superior cae. A una velocidad relativa de 7,4 m / seg, el fragmento de muestras de polvo (ver la película 7). </li> <li> Colisión de alta velocidad de pequeños agregados en grandes agregados: 0,5 cm vs 5 cm, la transferencia de masa. ª Cargae gran muestra sobre un mecanismo de liberación de tijera; colocar la muestra más pequeña en el soporte de la muestra del acelerador de la primavera. Nota: Para lograr velocidades de colisión necesarios para la transferencia de masa, el agregado de polvo inferior se aceleró suavemente hacia arriba, al mismo tiempo que el agregado de polvo superior cae. A esta velocidad relativa, los fragmentos y las transferencias una pequeña cantidad de masa sobre la muestra más grande de muestra más pequeños. Como la cámara cae a lo largo de la partícula superior (más masiva), las imágenes tomadas por la cámara de alta velocidad dan la impresión de una partícula grande más o menos en reposo (ver la película 8), que no es cierto, como se ve desde el exterior de la torre de caída. </li></ol></li><li> Cerrar el tubo de vidrio al vacío. </li><li> Abra cuidadosamente la válvula de vacío a las bombas para iniciar la evacuación lenta y establecer los parámetros de temporización a la diferencia de tiempo requerido para que la velocidad de colisión deseado. </li><li> Conecte las cámaras a sus unidades de liberación (si se utilizan cámaras de caída libre).Iniciar grabación de la cámara continua y encender la iluminación. </li><li> Cuando se alcanza la calidad de vacío deseado, pulse el botón de liberación para iniciar la secuencia de temporizador. </li><li> Descargar las secuencias de imágenes grabadas por las cámaras de alta velocidad a un ordenador. </li></ol> 5. Análisis de Datos <ol><li> Elija un valor de gris umbral adecuado entre el fondo y el valor de gris de los objetos. Crear una imagen binaria en base a este umbral estableciendo píxeles con valores de gris por encima del umbral de blanco (valor binario 1) y los píxeles con valores de gris inferiores a negro (valor binario 0). </li><li> Determine la posición del centro de las partículas de la masa en cada una de las imágenes. Una buena aproximación para determinar el centro de masa de partículas simétricas es el centro del área proyectada. Este se calcula a partir de imágenes binarizadas. </li><li> Utilice la posición relativa de los centros de masa de los objetos y la información de tiempo a partir de las imágenes de la cámara para calcular lavelocidad relativa (ver la película 9). Las pendientes de la curva de posición se muestran en el lado derecho de la película 9. <ol><li> En caso de una colisión rebotes, determinar las velocidades relativas antes y después del contacto. Calcular el coeficiente de restitución, es decir, la relación de la velocidad después de la colisión y antes. Trazar la velocidad relativa contra el coeficiente de restitución. Un ejemplo de este análisis se muestra en la Figura 4. </li></ol></li></ol><img alt="Figura 4" fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" width="500" /> Figura 4. Ejemplo del análisis de rebote colisiones. El coeficiente de restitución, es decir, la relación de la velocidad de rebote y la velocidad de impacto, se representará gráficamente como una función de la velocidad de colisión. Los círculos muestran los datos de los agregados de polvo esféricas de 2 cm diámetroter 13 (véase la Figura 2), los triángulos indican colisiones entre los agregados de polvo cilíndricas de 5 cm de diámetro y 5 cm de altura (ver figura 2) y dos factores de llenado del volumen diferentes de 0,3 y 0,4, respectivamente 12. Los datos muestran una tendencia de disminución de coeficiente de restitución con el aumento de la velocidad de impacto. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/51541fig4highres.jpg" target="_blank">Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.</a> <ol start="2"><li> Si fragmento de una o ambas partículas, determinar los tamaños de como muchos de los fragmentos más grandes como sea posible mediante la medición de sus respectivas áreas proyectadas y asumiendo formas apropiadas. <ol><li> Si se produce la fragmentación de una sola partícula, por lo general transfiere una cierta cantidad de su masa a la partícula de sobrevivir. Determinar la cantidad de masa transferida por la medición del volumen acretado, asumiendo una forma y porosidad adecuada para cuantificar la masa transfe-R eficiencia. </li></ol></li></ol>

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</ol>

No tenemos nada que revelar.

Debido a la alta precisión mecánica, la tasa de fracaso de las dos torres de caída es extremadamente bajo. Esto es de suma importancia, ya que la preparación de la muestra puede tardar hasta varias horas, dependiendo del tamaño, la forma y la porosidad de los agregados de polvo deseados. Cabe mencionar que los grandes agregados de polvo con porosidades muy altas son extremadamente frágiles y, por lo tanto, difícil de manejar. Puede ocurrir que estos agregados de polvo se rompen durante la extracción fuera del molde o la transferencia a la torre de caída. En estos casos, una nueva muestra tiene que estar preparado. Por lo tanto, es importante que la torre de caída pequeña permite fiables (y predecibles) velocidades de colisión de hasta 0,01 m / seg 11,13. La velocidad de impacto más bajo alcanzado hasta el momento era de 0,004 m / seg. Estas pequeñas velocidades de impacto sólo se puede llegar por partículas libres en un ambiente de microgravedad. La torre de caída de laboratorio es una realización barato y versátil de dicha instalación microgravedad. Alternatihe métodos para alcanzar velocidades de bajo impacto hacen uso de técnicas de levitación 14,15 (por ejemplo, mediante la levitación electromagnética o aerodinámica), pero en general inducir una fuerza entre las partículas que chocan, que tiene que ser tomado en cuenta en el análisis de las colisiones. Por otra parte, la levitación menudo induce el movimiento de rotación 14, que, si no deseada, no permite que las colisiones de rotación libre, pero, por otro lado, podría incluso permitir simulaciones realistas de colisiones entre partículas giratorias. En caso de levitación aerodinámica, efectos de cámara de aire durante la colisión pueden inducir condiciones no deseadas que no coinciden con los de los discos protoplanetarios. Sin embargo, la levitación permite un tiempo de observación ilimitado y experimentos repetibles de manera que tiene que ser considerado una alternativa a la torre de caída si la limitación de tiempo es esencial. Todos nuestros esfuerzos hasta ahora se han concentrado en SiO2 como representante de los silicatos en la parte terrestre del planeta formación región de sistemas solares jóvenes. Como la mayoría de la masa de los discos protoplanetarios se concentra más allá del punto de hielo de agua de condensación, es esencial para estudiar también el comportamiento de colisión de los agregados que consiste en H 2 O-granos de hielo-micras de tamaño. Actualmente estamos poniendo en marcha una torre de caída crio-vacío para este fin. Debe tenerse en cuenta que las temperaturas en estos experimentos de simulación deben estar por debajo de ~ 150 K, que es la temperatura de la llamada &quot;línea de nieve&quot; en los discos protoplanetarios (la &quot;línea de nieve&quot; divide a las regiones interiores donde el agua está en el vapor fase de las regiones exteriores donde se encuentra en forma de hielo compacto de agua). Hemos demostrado que la formación de partículas de hielo de agua-micras de tamaño es factible y que los agregados de los mismos se pueden producir 16 de manera que somos optimistas de tener los primeros resultados sobre su comportamiento de colisión dentro de los próximos 1-2 años.

En general se acepta que la formación de planetas se inicia con la acumulación no gravitacional de microscópicamente pequeños granos de polvo en grandes agregados de polvo (véase la revisión de Blum y Wurm) 1. Las partículas de polvo chocan dentro de sus discos protoplanetarios debido al movimiento browniano, movimientos relativos de deriva, y la turbulencia del gas de la nebulosa (véase la revisión de Johansen y col.) 2. Si las velocidades de colisión son suficientemente baja, las partículas de polvo se pegan entre sí para formar aglomerados más grandes. Una gran cantidad de mediciones de laboratorio en los últimos años han dado lugar a un modelo de choque de polvo agregado que predice el resultado de un par de agregados de polvo con masas arbitrarias y las velocidades de colisión 3. Los resultados de colisión básicos están pegando (en general para las pequeñas masas de agregados y bajas velocidades de colisión), rebote y la fragmentación (para altas velocidades de impacto). Sin embargo, las transiciones entre estas fases no son nítidas y hay otrosresultados, como, por ejemplo, la transferencia de masa o erosión. La aplicación de este modelo a un disco protoplanetario típica predice el crecimiento de los agregados de polvo cm de tamaño dentro de unos pocos miles de años 4. La presencia de agregados de polvo cm de tamaño ha sido ampliamente investigado por las observaciones astronómicas en los últimos años y ahora puede ser considerado como establecido (véase la revisión de Testi et al.) 5, de modo que llegamos a la conclusión de que el mecanismo principal por el cual los primeros cuerpos macroscópicos en los sistemas planetarios jóvenes se ha identificado la forma. Sin embargo, el mayor crecimiento de los cuerpos de al menos tamaños kilometros no es tan clara. Para la región terrestre del planeta, se discuten actualmente dos hipótesis (véanse también los comentarios recientes sobre este tema por Johansen et al 2 y Testi et al 5..): (I) la concentración de los agregados de polvo cm de tamaño mediante, por ejemplo, el la inestabilidad de transmisión 6 y la posterior Gravitcolapso acional 7,8 y (ii) el crecimiento de unos pocos &quot;afortunados ganadores&quot; a los tamaños más grandes, con la consiguiente acumulación de la masa por el proceso de transferencia de masa 9,10,11. En ambos modelos, los agregados de polvo-cm de tamaño se someten a un enorme número de colisiones mutuas a baja a velocidades moderadas. No está claro cuáles son los posibles resultados de estas colisiones (además de rebote) son. Para mejorar el modelo de colisión polvo agregada por Güttler et al. 3, y para investigar con más detalle las colisiones entre los agregados de polvo macroscópicas en los regímenes de velocidad relevantes, hemos establecido dos torres de caída en nuestro laboratorio, en el que las colisiones-agregados agregados individuales pueden ser estudiado en gran detalle en condiciones de vacío y microgravedad. Ambas torres de caída poseen una altura de caída libre de 1,5 m, lo que limita el tiempo de observación a ~ 0,5 seg. Así, se observa que las colisiones por las cámaras de alta velocidad con formato megapíxeles y hasta 7.500 fotogramas por segundo.Para el máximo contraste y las altas velocidades de grabación, se elige la iluminación de campo brillante. La iluminación se proporciona por tanto por paneles LED de alta intensidad y homogeneiza pantallas difusoras. Por lo tanto, las cámaras de alta velocidad ver el polvo que chocan agrega objetos oscuros en frente de una pantalla iluminada. Para evitar el parpadeo, los LED son DC alimentado. Para alcanzar bajas velocidades de colisión, los dos agregados de polvo se colocan uno encima del otro en un doble mecanismo de liberación. Liberar el agregado superior un tiempo de T antes de la inferior da como resultado una velocidad relativa de V = GT, con g = 9,81 m / seg 2 es la aceleración de la gravedad de la Tierra. Las dos cámaras de alta velocidad, que consideran la colisión de dos direcciones separados a 90 °, se liberan normalmente entre los dos agregados de polvo (por lo general t / 2 después de la partícula superior). Las cámaras se ejecutan en modo continuo de grabación, que se termina por el impacto de la cámaratitulares en cubos de arena. La velocidad de fotogramas máxima en este modo de funcionamiento es de 1.000 imágenes por segundo en resolución megapíxel. Con esta configuración, las velocidades hasta por debajo de 0,01 m / seg se han logrado. Debido a las limitaciones de la configuración mecánica del mecanismo de liberación doble, la velocidad máxima de colisión relativa es ~ 3 m / seg. Las colisiones que implican agregados de polvo de hasta 5 cm de tamaño se han investigado en esta torre de caída. Para velocidades de colisión más altas de hasta ~ 10 m / seg, se utiliza una segunda torre de caída, que está equipado con un acelerador electromagnético que es capaz de acelerar suavemente el polvo agregados de hasta 5 m / seg en una dirección vertical hacia arriba. El otro agregado de polvo se lleva a cabo por un mecanismo de liberación de puerta-trampa de doble ala y se puede liberar la rotación libre en caída libre en un momento dado. En este caso, no tiene sentido utilizar las cámaras en caída libre. Preferimos utilizar dos cámaras de alta velocidad fijas con hasta 7500 cuadros por segundo y la resolución de megapíxeles. Debido a la mayor DIAMETer de esta torre de caída, el polvo agregados hasta (y posiblemente más arriba) 10 cm de tamaño se pueden usar.

<table><tbody><tr><td>Partículas monodispersas de SiO2</td><td>Micromod</td><td>43-00-153 Diámetro de</td><td>partícula 1,52 &plusmn; 0,06 &micro; m; forma de partícula esférica</td></tr><tr><td>Polidisperso SiO2 partículas</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>S5631</td><td>Diámetro de partícula 0,1 &ndash; 10 &micro; m; forma de partícula irregular</td></tr></tbody></table>

laboratorio torres de caída para el experimental simulación de colisiones de polvo acumuladas en el sistema solar temprano

Laboratory Drop Towers for the Experimental Simulation of Dust-aggregate Collisions in the Early Solar System

Para el propósito de la investigación de la evolución de los agregados de polvo en el sistema solar primitivo, hemos desarrollado dos torres de caída de vacío en el que los agregados de polvo frágiles con tamaños de hasta ~ 10 cm y porosidades de hasta 70% pueden ser colisionaron. Una de las torres de caída se utiliza principalmente para velocidades muy bajo impacto hasta por debajo de 0,01 m / s, y hace uso de un doble mecanismo de liberación. Las colisiones se registraron en estéreo-visión por dos cámaras de alta velocidad, que caen a lo largo del tubo de vacío de vidrio en el marco de los dos agregados de polvo centro de masa. La otra torre de caída libre hace uso de un acelerador electromagnético que es capaz de acelerar suavemente agregados de polvo de hasta 5 m / seg. En combinación con el lanzamiento de otro agregado de polvo de la caída libre, colisión a velocidades de hasta ~ 10 m / s se puede lograr. Aquí, dos cámaras de alta velocidad fijos registran los eventos de colisión. En ambas torres de caída, los agregados de polvo están en caída libre durante la colisión de modo que sean de ingravidez y coinciden con lacondiciones en los inicios del Sistema Solar.

El uso de las muestras de polvo de agregados bien caracterizados que se describen en el protocolo (ver Figuras 1-3), cualquier colisión observada en una de las torres de caída laboratorio dará información científica valiosa sobre los resultados de las colisiones similares en discos protoplanetarios. Hasta ahora hemos investigado sistemáticamente los resultados de colisión de 2 cm de tamaño agregados esféricos de polvo (con un volumen de 0,5 factores de llenado) en el rango de velocidad entre 0,008 y 2,02 m / seg 13 y de 5 cm de tamaño de polvo agregados cilíndricos (con un volumen de llenado de factores entre 0.3 y 0.5) en el rango de velocidad entre 0,004 y 2 m / seg 12. Encontramos rebotando entre los agregados de polvo como el resultado dominante para velocidades por debajo de ~ 0,4 m / s para ambos tipos de agregados de polvo (ver la película 6 para un ejemplo). En la Figura 4, se muestra el coeficiente de restitución de estas colisiones de rebote. Los círculos indican los experimentos con 2muestras esféricas de tamaño cm 13 y los triángulos representan los resultados de las colisiones entre los 5 cm cilindros de polvo de tamaño con dos diferentes densidades de embalaje 12. Aunque los coeficientes de restitución de experimentos individuales se dispersan ampliamente, el valor medio del coeficiente de restitución disminuye con el aumento de la velocidad de colisión. Ambos agregados de polvo normalmente fragmentan al impactar para velocidades superiores a ~ 1 m / seg (ver Película 7 para un ejemplo). Para velocidades entre ~ 0,4 y ~ 1 m / seg, puede ocurrir la fragmentación de sólo uno de los dos que chocan los agregados de polvo. En este caso, el agregado de polvo no fragmentable gana un pequeño porcentaje de la masa por la transferencia de masa 13. Los límites de velocidad antes mencionadas no son nítidas, pero denotan aproximadamente donde los límites entre los distintos regímenes mienten 2,11. Para colisiones entre los agregados de polvo de diferentes tamaños y velocidades moderadas, los efectos generalmente no conducirán t<html> o la fragmentación de la mayor de las dos agregados de polvo. Por el contrario, los cuerpos más grandes aumentan su masa mediante la transferencia de parte de la masa de los impactadores más pequeñas (véase la película 8). Para los casos, en los que los dos agregados de polvo rebotan el uno al otro, la transferencia de la energía cinética de traslación antes de la colisión (que los agregados de polvo no giran antes de la colisión) en energía cinética de traslación, la energía cinética de rotación, y otra ( disipativo) canales de energía (por ejemplo, compactación de los agregados de polvo) se pueden determinar. Se encontró que para las colisiones centrales (en el que la energía de rotación se puede despreciar) la cantidad relativa de energía disipada aumenta fuertemente con el aumento de la velocidad y es mayor para los factores de llenado de menor volumen del polvo de los agregados 12. Este comportamiento puede ser modelado por simulaciones de dinámica molecular 12. TTP :/ / www.jove.com/files/ftp_upload/51541/string_trapdoor.MP4 &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Película 1. Película de alta velocidad (reproducido en cámara lenta) de la partícula-on-a-string ( superior) y el mecanismo de liberación de puerta-trampa (abajo). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mold_cluster_cluster.MP4" target="_blank">Película 2</a> . Película de alta velocidad (reproducido en cámara lenta) del mecanismo de liberación trampilla doble. Ambas muestras son acumulaciones de Al 2 O 3 partículas de 2 mm de diámetro, que permanecen confinados en caída libre debido a la extremadamente baja perturbación durante la liberación. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/scissor.MP4" target="_blank">Movie 3</a> . Película de alta velocidad (reproducido en cámara lenta) del mecanismo de doble liberación de tipo tijera. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/dw-trapdoor.MP4" target="_blank">Película</a>4. Película de alta velocidad (reproducido en cámara lenta) del mecanismo de liberación trampilla de doble ala. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/trigger.wmv" target="_blank">Película 5</a> . Animación de la electrónica de conmutación del temporizador del mecanismo de liberación superior e inferior, así como la activación de la cámara a la caída libre. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/9ms_2.MP4" target="_blank">Película 6</a> . Película de alta velocidad (reproducido en cámara lenta) de una colisión entre dos rebotando 5 cilindros polvo agregada cm de tamaño. Las dos agregados polvo son liberados por el doble mecanismo de liberación de tipo tijera y chocan con 0,09 velocidad m / seg. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/fragmentation.MP4" target="_blank">Película 7</a> . Película de alta velocidad (reproducido en cámara lenta) de dos agregados de polvo cilíndricas de 2 cm de tamaño colliding a una velocidad relativa de 7,4 m / seg. Ambos agregados fragmentan completamente. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/mass-transfer.MP4" target="_blank">Película 8</a> . Película de alta velocidad (reproducido en cámara lenta) de un agregado de polvo 5 mm de tamaño impactar un blanco sólido cilíndrico de 5 cm de tamaño. Como la velocidad de impacto de 4,3 m / seg está por encima de la velocidad de fragmentación de la pequeño agregado de polvo, este se rompe y las transferencias de parte de su masa a la diana, que es claramente visible en la película. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51541/tracking_new.mov" target="_blank">Película 9</a> . Determinación de las trayectorias de las partículas por un algoritmo de seguimiento de partículas-semi-automática. Aquí, se muestra la colisión entre dos 2 agregados esféricos de polvo cm de tamaño.

Se presenta una técnica para lograr la baja velocidad a colisiones intermedio de velocidad entre los agregados de polvo frágiles en el laboratorio. Para este propósito, dos de vacío caída de torre de configuraciones se han desarrollado que permite velocidades de colisión entre &lt;0,01 y ~ 10 m / seg. Los eventos de colisión se registran imágenes de alta velocidad.

Laboratorio torres de caída para el experimental Simulación de colisiones de polvo acumuladas en el Sistema Solar temprano

For the purpose of investigating the evolution of dust aggregates in the early Solar System, we developed two vacuum drop towers in which fragile dust ...

El objetivo general de este procedimiento es simular experimentalmente colisiones entre agregados de polvo en el sistema solar temprano y comprender los primeros pasos de la formación planetaria. Esto se logra primero preparando dos agregados de polvo porosos que representan las partículas de polvo en el sistema solar joven. El segundo paso consiste en insertar ambos agregados de polvo en una de las torres de caída del laboratorio, que ha sido acondicionada para generar una colisión entre los agregados de polvo bajo condiciones de microgravedad.A continuación, se realiza el experimento y cámaras de alta velocidad registran la colisión entre los dos agregados de polvo. El paso final es el análisis de la grabación de alta velocidad de la colisión con respecto a la pérdida de energía, la transferencia de masa y la fragmentación de los agregados de polvo. En última instancia, estos resultados se utilizan para desarrollar modelos físicos de las colisiones entre agregados de polvo en el sistema solar joven, necesarios para la modelización de los primeros pasos de la formación planetaria.Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la formación planetaria, como el resultado de las colisiones entre los bloques de construcción de los planetas. Tuvimos la idea de este método cuando buscábamos medios para realizar un gran número de colisiones a velocidades muy bajas entre agregados de polvo frágiles. La principal ventaja de esta técnica frente a métodos existentes como las instalaciones comerciales de microgravedad es que los experimentos pueden realizarse con mayor frecuencia y son económicamente eficientes en el laboratorio.La demostración visual de este método es fundamental, ya que los pasos de preparación de la muestra son difíciles de aprender porque las muestras preparadas son muy frágiles. Para comenzar, calcule la cantidad de material necesaria para la forma deseada utilizando la siguiente ecuación. Tamice una cantidad suficiente de material a través de una malla de 0,5 milímetros C, y llene la masa calculada en un molde.Luego, comprima el material dentro del molde presionando un pistón manualmente hasta que la muestra alcance cinco centímetros. Finalmente, invierta el molde. Abra la placa base y empuje suavemente la muestra hacia afuera con el pistón.Para muestras esféricas de partículas superiores, utilice el mecanismo de liberación de partículas con hilo. Para configurar este tipo de liberación, sujete la partícula que se va a liberar a un hilo. Esto se realiza durante la compresión de la muestra utilizando un pistón con un orificio para el hilo.Sujete la cuerda en su lugar sujetándola entre el electroimán y la pieza metálica sólida contraria para muestras esféricas de partículas inferiores. Utilice el mecanismo de liberación de la trampilla. Comience colocando la partícula en un molde semiesférico.En el momento adecuado, aplique una corriente eléctrica al electroimán del mecanismo de liberación superior a partir de ahora. Aplique una corriente eléctrica para girar la puerta trampa hacia abajo mediante un solenoide rotacional al examinar arreglos más complejos, como agrupaciones de esferas; monte dos mecanismos de liberación con puerta trampa uno encima del otro. Una vez que ambos mecanismos de puerta trampa hayan sido cargados, aplique una corriente eléctrica para liberar las muestras en los momentos adecuados en el caso de muestras cilíndricas.Coloque un mecanismo de liberación doble de tipo tijera en su posición. Luego, coloque suavemente las muestras cilíndricas sobre las placas de liberación. Como antes, aplique una corriente eléctrica a los imanes solenoides para liberar las muestras.Si una muestra va a ser acelerada en lugar de simplemente caer libremente, utilice un mecanismo de aceleración de partículas, como una plataforma lineal accionada electromagnéticamente. Al probar muestras cilíndricas en combinación con la aceleración de partículas, utilice el mecanismo de liberación de puerta trampa de doble aleta. Coloque la muestra cilíndrica de polvo sobre la puerta trampa cerrada.Luego desbloquee la puerta trampa aplicando una corriente eléctrica al electroimán. Observe cómo los frenos de corriente parásita evitan que la puerta retroceda hacia la muestra, logrando una colisión a baja velocidad. Velocidades de 0,09 metros por segundo.Coloque una de las partículas de un centímetro en el mecanismo de partícula en un hilo y la otra partícula de un centímetro a siete milímetros de distancia en el mecanismo de liberación con trampa. Luego cierre el tubo de vidrio al vacío. Abra cuidadosamente la válvula hacia las bombas de vacío para comenzar la evacuación lenta del aire dentro del tubo.A continuación, ajuste el retardo temporal de los mecanismos de liberación a nueve milisegundos. Esto significa que primero se liberará el agregado de polvo superior y nueve milisegundos después, la partícula inferior; la cámara se liberará entre ambos. A continuación, fije las cámaras a sus unidades de liberación y encienda la iluminación. Luego, inicie la grabación continua.Cuando se alcance el vacío deseado de menos de un milibar, presione el botón de liberación para iniciar la secuencia del temporizador cuando el experimento haya finalizado; descargue las secuencias de imágenes registradas por las cámaras de alta velocidad a una computadora. Prepare dos muestras cilíndricas de cinco centímetros de diámetro y altura para una colisión a alta velocidad cargando primero una muestra en el mecanismo de liberación de puerta batiente doble y la otra en el portamuestras del acelerador de etapa lineal. Una vez que las muestras estén colocadas, prepare la cámara como antes, sellando el tubo de vidrio y abriendo la válvula de vacío para extraer el aire del tubo.Luego, configure el momento del mecanismo de liberación y del acelerador lineal según las condiciones deseadas. A continuación, encienda la iluminación adecuada e inicie la grabación con la cámara de alta velocidad. Una vez que se alcance el vacío deseado de menos de 0,01 milibar, presione el botón de liberación para iniciar la colisión al completarse.Descargue las secuencias de imágenes registradas por las cámaras como antes para agregados de diferentes tamaños. Cargue la muestra grande en un mecanismo de liberación, luego coloque la muestra más pequeña en el soporte de muestras del acelerador. Estas imágenes de microscopía electrónica de partículas esféricas monodispersas y partículas de sílice irregulares polidispersas ilustran las características físicas de las muestras utilizadas en los experimentos con la torre de caída en el laboratorio.Los agregados de polvo pueden elaborarse en diferentes tamaños y formas de muestra, incluyendo cilindros de polvo con diámetros de un centímetro, dos centímetros y cinco centímetros, y esferas de polvo con diámetros de un centímetro y dos centímetros. Además, pueden utilizarse agrupaciones de esferas luminiscentes de tamaño milimétrico (de dos a tres milímetros) mediante la reconstrucción por tomografía de rayos X de la estructura interna de una muestra cilíndrica de agregado de polvo. Es claramente visible que esta muestra de alta porosidad fue ensamblada utilizando agregados de tamaño milimétrico hasta partículas de polvo.La escala de grises denota el factor de relleno de volumen, la relación entre la densidad de masa de la muestra y la densidad de material de las partículas de polvo monoméricas. Las velocidades de colisión de rebote se analizaron mediante el seguimiento de las posiciones de las partículas a lo largo del tiempo para determinar la velocidad después y antes de la colisión. La relación entre estos valores se denomina coeficiente de restitución y describe la pérdida de energía en la colisión. Los coeficientes de restitución analizados se representan frente a las velocidades de colisión. Los datos para polvo esférico, agregados y colisiones entre agregados de polvo cilíndricos muestran una tendencia de disminución del coeficiente de restitución con el aumento de la velocidad de impacto. Una vez dominada, esta técnica puede realizarse en una hora si se lleva a cabo correctamente. Trabajar con partículas del tamaño de micrómetros puede ser extremadamente peligroso; por lo tanto, siempre deben tomarse precauciones como mascarillas protectoras, guantes y campanas extractoras como esta durante el procedimiento.

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