Application of a continuum theory to vertical vibrations of a layer of granular material

Many interesting phenomena have been observed in layers of granular materials subjected to vertical oscillations; these include the formation of a variety of standing wave patterns, and the occurrence of isolated features called oscillons, which alternately form conical heaps and craters oscillating at one-half of the forcing frequency. No continuum-based explanation of these phenomena has previously been proposed. We apply a continuum theory, termed the double-shearing theory, which has had success in analyzing various problems in the flow of granular materials, to the problem of a layer of granular material on a vertically vibrating rigid base undergoing vertical oscillations in plane strain. There exists a trivial solution in which the layer moves as a rigid body. By investigating linear perturbations of this solution, we find that at certain amplitudes and frequencies this trivial solution can bifurcate. The time dependence of the perturbed solution is governed by Mathieu’s equation, which allows stable, unstable and periodic solutions, and the observed period-doubling behaviour. Several solutions for the spatial velocity distribution are obtained; these include one in which the surface undergoes vertical velocities that have sinusoidal dependence on the horizontal space dimension, which corresponds to the formation of striped standing waves, and is one of the observed patterns. An alternative continuum theory of granular material mechanics, in which the principal axes of stress and rate-of-deformation are coincident, is shown to be incapable of giving rise to similar instabilities.

Produção de oscillons durante restaurações e quebras espontâneas de simetrias

Na natureza há vários fenômenos envolvendo transições de fase com quebra ou restauração de simetrias. Tipicamente, mudanças de fase, são associadas com uma quebra ou restauração de simetria, que acontecem quando um determinado parâmetro de controle é variado, como por exemplo temperatura, densidade, campos externos, ou de forma dinâmica. Essas mudanças que os sistemas sofrem podem levar a formação de defeitos topológicos, tais como paredes de domínios, vórtices ou monopolos magnéticos. Nesse trabalho estudamos particularmente mudanças de fase associadas com quebras ou restaurações dinâmicas de simetria que estão associadas com formação ou destruição de defeitos do tipo paredes de domínio em modelos de campos escalares com simetria discreta. Nesses processos dinâmicos com formação ou destruição de domínios, estudamos a possibilidade de formação de estruturas do tipo oscillons, que são soluções não homogêneas e instáveis de campo, mas que podem concentrar nelas uma quantidade apreciável de energia e terem uma vida (duração) suficientemente grande para serem de importância física. Estudamos a possibilidade de formação dessas soluções em modelos de dois campos escalares interagentes em que o sistema é preparado em diferentes situações, com a dinâmica resultante nesses sistemas estudada numa rede discreta.

Sólitons e Oscillons em cenários com violações da simetria de Lorentz

Pós-graduação em Física - FEG

Coupled scalar fields oscillons and breathers in some lorentz violating scenarios

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)