Levanta la parte superior de una lata de nueces mixtas y, lo más probable es, Las nueces de Brasil estarán en la parte superior. Este fenómeno, de partículas grandes que tienden a subir a la parte superior de las mezclas, mientras que las partículas pequeñas tienden a hundirse, se conoce popularmente como el "efecto de la nuez de Brasil" y, más técnicamente, como segregación granular.

Mire hacia abajo en la parte superior del lecho de un río y es fácil trazar un paralelo:la parte superior de un lecho de río suele estar revestida con adoquines más grandes, mientras que la arena más fina y las pequeñas partículas de grava forman las capas más profundas.

Los físicos preocupados por el movimiento de partículas han pensado mucho en la mecánica por la cual las partículas se clasifican en este tipo de escenarios. pero esa investigación no se ha traducido a las ciencias de la tierra hasta ahora. En un nuevo estudio, geofísicos de la Universidad de Pensilvania encontraron que la segregación granular ayuda a explicar la tendencia de los lechos de los ríos a estar bordeados por, o "blindado" con, una capa de partículas relativamente más grandes.

Publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza , los hallazgos mejoran la comprensión de cómo se forman los lechos de los ríos, con implicaciones sobre cómo los ríos también pueden erosionarse. Pero la investigación también ofrece nuevos conocimientos sobre la física fundamental de la segregación de partículas, que se aplican a todo tipo de materiales granulares, desde cauces y suelos hasta sustancias industriales y farmacéuticas.

"Ha habido este fenómeno de segregación granular que se ha estudiado durante décadas, "dijo Douglas J. Jerolmack, profesor asociado en el Departamento de Ciencias de la Tierra y el Medio Ambiente de la Facultad de Artes y Ciencias de Penn, "y luego está esta explicación separada de geólogos e ingenieros sobre por qué los lechos de los ríos tienen una capa gruesa en la superficie, y los dos nunca se habían conocido antes. Nuestra mayor contribución aquí es realmente tomar la comprensión de la física granular de la segregación de partículas (cómo las partículas grandes se segregan y se mueven hacia la superficie) e introducirlo en el problema del río ".

Jerolmack colaboró ​​en el trabajo con los investigadores postdoctorales Behrooz Ferdowsi, ahora en la Universidad de Princeton; Carlos P. Ortiz, ahora en Deloitte Consulting; y Morgane Houssais, ahora en la City University of New York. El blindaje del lecho de los ríos se considera casi universalmente y se entiende que es una forma en que los ríos previenen la erosión excesiva.

"A esto lo llamamos blindaje porque las partículas más grandes son como un blindaje que protege el lecho del río debajo de la erosión, ", Dijo Jerolmack." Si hay grandes guijarros que bordean el lecho del río, entonces necesitaré una gran inundación para moverlos ".

Los geólogos generalmente han pensado que la mecánica de fluidos controla este patrón. El agua del río lavaría las partículas más finas, dejando atrás las partículas más grandes.

Pero el equipo dirigido por Penn reconoció que esta explicación no lograba concebir el lecho del río como un sistema granular, que también estaría sujeto al efecto de la nuez de Brasil, no solo la fuerza cortante del agua.

Para ver si la segregación granular se aplicó en un sistema de fluidos, los investigadores recurrieron a un sustituto de laboratorio para un río:un canal en forma de rosquilla lleno de partículas esféricas grandes y pequeñas. La tapa del canal empuja el fluido sobre las partículas, replicando el caudal de un río.

Como habían demostrado en un estudio anterior, las partículas se mueven a lo largo del lecho del río por dos mecanismos:las de la parte superior son empujadas por el flujo de líquido, mientras que los que están más abajo se arrastran lentamente debido a la interacción entre las partículas.

En el nuevo trabajo el equipo de Penn quería entender cómo estas partículas se movían no solo horizontalmente sino también verticalmente en el lecho.

Usando su canal personalizado y fluido incrustado con un tinte fluorescente, Jerolmack y sus colegas pudieron escanear toda la profundidad del canal y visualizar todo el plano de partículas, incluso aquellos enterrados bajo varias docenas de otras partículas.

"Es casi como tomar una radiografía de nuestra muestra granular pero con un láser y fotografías, "Dijo Jerolmack.

Con la ayuda de un programa de software, Luego pudieron rastrear las posiciones horizontal y vertical de todas estas partículas a través del tiempo. Y vieron el efecto de la nuez de Brasil en acción.

"En este experimento de laboratorio de un río muy simplificado, "Jerolmack dijo:"vimos eso, cuando tenemos un líquido empujando granos en el lecho del río, esos granos empujan granos debajo de ellos que empujan granos que están debajo de ellos y así sucesivamente, y crea este movimiento de empuje que permite que las partículas grandes floten hacia arriba. Así que confirmamos que este comportamiento general que se observa en los sistemas granulares parece ocurrir también en los ríos ".

Otro hallazgo importante, confirmado por simulaciones por computadora que dan cuenta de la fricción que siente cada partícula en el lecho del río, era que esta segregación de partículas por tamaño se desarrollaba en dos etapas. En el primero, las partículas más grandes cerca de la superficie del lecho del río se movieron hacia arriba, mientras que aquellos apiñados en las partes más profundas de la cama parecían permanecer casi inmóviles. Pero en una segunda etapa, estos arrastrándose, los granos más profundos comenzaron a clasificarse, los grandes ocasionalmente son absorbidos por las partículas que fluyen más rápido hacia la parte superior del lecho del río y empujándose hacia arriba.

"Básicamente, nadie había ido a ver si los materiales granulares de movimiento extremadamente lento contribuían a la segregación, ", Dijo Jerolmack." La observación de que vimos que se producía la segregación, que las partículas gruesas se movían hacia arriba desde esta capa rastrera, es completamente nuevo para la ciencia y también tiene todo tipo de implicaciones. Podría explicar cómo vemos que la segregación ocurre en lugares de movimiento lento como suelos en una ladera, donde tendemos a encontrar partículas gruesas en la superficie, a pesar de que no hay una fuerza fluida moviéndose sobre ellos ".

Los investigadores han encontrado difícil predecir cuándo se erosionan los ríos, o cuando las laderas se disuelven en deslizamientos de tierra, y estos hallazgos pueden ayudar a explicar por qué estas predicciones han resultado tan esquivas.

"Hemos trabajado en estos problemas durante 100 años, y todavía no podemos predecir con mucha certeza qué fuerza de fluido hará que los granos comiencen a erosionarse, ", Dijo Jerolmack." Y ese punto cambia con el tiempo. Proyectos de ingeniería fluvial, todos los puentes y edificios se basan en estimaciones del umbral de erosión. Creo que debemos empezar de cero con un nuevo marco que incorpore la física granular ".

Si bien estos experimentos y simulaciones no pueden proporcionar una réplica exacta de las complejas condiciones que se observan en los ríos, como la turbulencia, Jerolmack señala que los hallazgos apuntan a la necesidad de integrar las ciencias de la tierra con la investigación de la física fundamental para avanzar en el conocimiento en ambas esferas.

"Nuestra incapacidad para predecir cuándo ocurrirá la erosión, nuestra incapacidad para predecir cuándo un lento, la pila de tierra que rezuma en una colina se convertirá repentinamente en un deslizamiento de tierra, es porque estamos en contra de nuestro límite de la comprensión fundamental de cómo se comportan los materiales desordenados, ", Dijo Jerolmack." Necesitamos avanzar en nuestra comprensión de la física fundamental de los materiales desordenados para tener alguna posibilidad de hacer predicciones en el reino de los materiales terrestres. Y este es un problema en el que creo que hemos comenzado a hacer eso.

"Penn es un lugar ideal para hacer esto, ", dijo." Aquí hay un gran número de físicos e ingenieros con una visión amplia e interdisciplinaria de la ciencia de los materiales. Las colaboraciones facilitadas por el Centro de Ciencia e Ingeniería de Investigación de Materiales han hecho posible este tipo de trabajo ".