Adoptando un enfoque más simple para un problema complejo, Los investigadores de Yale tienen una respuesta para explicar por qué los granos grandes se mueven más fácilmente que los pequeños cuando son impulsados ​​por el flujo de fluidos a lo largo del lecho de un río, una pregunta que ha confundido a los científicos durante décadas.

Gran parte del mundo natural está formado por el agua que fluye que mueve los sedimentos, arena, guijarros y otros cereales. Comprender exactamente cuándo y por qué los granos comienzan a moverse en respuesta a fuerzas de fluidos complejos tendría aplicaciones importantes en ecología, agricultura, y otros campos.

En el grupo de investigación de Corey O'Hern, profesor asociado de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales, física, y física aplicada, Los investigadores desarrollaron simulaciones por computadora para observar cómo los granos se mueven e interactúan en un flujo de fluido sobre un lecho granular, por ejemplo, un río que corre sobre un lecho de arena o grava. Sus resultados se publican el 28 de marzo en Fluido de revisión física .

Determinar cómo se transportan los granos junto con el flujo de fluido es extremadamente complicado debido a las muchas variables involucradas, incluido el tamaño del grano, fricción grano-grano, forma de grano no esférico, y turbulencia de fluidos. Al estudiar un proceso tan complejo, los científicos a menudo se centran en los aspectos del problema que creen que son los más importantes y simplifican otros aspectos tanto como sea posible. Gran parte de la investigación previa en este campo se ha centrado en las fuerzas de los fluidos que hacen que los granos en reposo comiencen a moverse. pero el estudio de Yale sugiere que se debería prestar más atención a lo que está sucediendo mientras los granos ya están en movimiento.

"Tradicionalmente, los investigadores han exagerado la mecánica de los fluidos y han tratado los granos más como un lecho estático, "dijo el investigador de Yale Abram Clark, autor principal del estudio. "Nuestro enfoque considera el problema del transporte de sedimentos desde la otra dirección, centrándose más en el lecho granular, especialmente los granos en movimiento, y tratando el fluido de una manera sencilla. En lugar de pensar en cuándo empezarán a moverse los granos estáticos, estamos haciendo la pregunta:¿Cuándo se detendrá el movimiento de granos? "

Básicamente, los granos en movimiento buscan un "bolsillo estable, "o una región local de la superficie del lecho donde los granos vecinos pueden soportarlos contra las fuerzas de los fluidos. Este estudio utilizó cálculos teóricos y simulaciones por computadora para explicar un antiguo misterio de por qué los granos grandes se mueven con mucha más facilidad que los granos pequeños, incluso después de tener en cuenta la diferencia de peso. Los investigadores encontraron que la interacción entre los granos y los fluidos hace que los granos grandes y pequeños se muevan de formas fundamentalmente diferentes. Los granos grandes se aceleran a medida que saltan a lo largo del lecho, mientras que los granos pequeños no lo hacen. Esto permite granos muy pequeños, como limo o arena fina, para detenerse mucho más fácilmente que arena gruesa o guijarros. Todos los demás factores, como el grado de turbulencia del fluido u otras características de los granos, juegan un papel secundario.

El grupo O'Hern comenzó con un sistema modelo que incluía la dinámica del grano dependiente del tamaño, pero por lo demás fue lo más simple posible. A pesar de comenzar con esférico, granos sin fricción y un flujo de fluido muy simplificado, los resultados de las simulaciones por computadora fueron muy cercanos a los producidos en la naturaleza, recogido en más de 100 años de datos de experimentos y estudios de campo. El grupo amplió las simulaciones variando parámetros adicionales como la fricción grano-grano, forma de grano, e incluso la forma matemática de las interacciones fluido-grano. Sin embargo, siempre que se incluyera la dinámica de grano correcta dependiente del tamaño, los resultados fueron casi idénticos a los encontrados en la naturaleza.

"No agregamos todos los efectos físicos en un modelo a la vez, "dijo Clark, investigador asociado postdoctoral en el grupo de investigación de O'Hern. Simplificar el modelo para incluir solo unos pocos elementos les da a los investigadores una imagen más clara de los ingredientes más importantes. "Si simplifica un problema complejo en uno o dos ingredientes, y todavía predice el comportamiento correcto, esa es una evidencia muy sólida de que esos ingredientes son responsables del comportamiento que está viendo en la naturaleza ".