Investigadores de la Universidad de Nagoya informan de una conexión mecánica entre los anchos de las madrigueras del cangrejo de arena y los anchos de los pozos cometarios mediante un experimento granular simple.

Los agujeros en una playa de arena en las cercanías de la costa son a menudo entradas a madrigueras de cangrejos de arena (Fig. 1). Llama la atención que los tamaños (diámetros de entrada) de las madrigueras tengan un valor típico (alrededor de 2 a 3 cm). Es más, no hay entradas amplias (por ejemplo, 10 cm de diámetro). ¿Por qué los cangrejos solo cavan madrigueras estrechas? Por supuesto, El tamaño del cangrejo es un factor:no necesita una madriguera grande si el tamaño de su caparazón es pequeño. Sin embargo, Muchos tipos de cangrejos son mucho más grandes que los cangrejos de arena. ¿Por qué no cavan madrigueras en la arena de la playa? ¿también?

Otro factor debe estar en juego. Quizás el tamaño de las madrigueras de cangrejos de arena esté determinado por la restricción mecánica del sustrato:arena húmeda. Esta simple idea fue el punto de partida del estudio. Los investigadores estudiaron la estabilidad y la resistencia de estructuras similares a madrigueras utilizando un sistema de modelo simplificado. Al mismo tiempo, se dieron cuenta de que la estructura vacía (o hueca) dentro de la materia granular cohesiva es ubicua; por ejemplo, se sabe que existen vacíos dentro de los cometas.

Es más, también se sabe que los vacíos pueden ser propensos a colapsar. Por lo tanto, un sistema de modelo simple podría ser útil para explicar una variedad de fenómenos naturales de colapso del vacío, incluidos los que se encuentran en los cometas.

Simplemente comprimiendo una estructura de túnel horizontal en una capa granular húmeda producida al mezclar agua y perlas de vidrio (Fig.2), los investigadores observaron tres modos de deformación:(i) encogimiento sin colapso; (ii) contracción con colapso pero sin hundimiento; y (iii) colapso con hundimiento. El modo (i) se puede observar cuando el diámetro inicial del túnel es suficientemente pequeño. A medida que aumenta el diámetro del túnel inicial, el modo de deformación se vuelve inestable. La estructura del túnel cargada experimenta entonces colapso de tipo (ii) o (iii) dependiendo de las condiciones experimentales (diámetro inicial del túnel y tamaño de grano). Encontramos que el límite entre (i) y (ii, iii) tiene aproximadamente 5 cm de diámetro. Realmente, este valor está bastante cerca del límite superior de los tamaños de madriguera de cangrejos que se encuentran en el campo. Esta correspondencia sugiere que los cangrejos hacen madrigueras relativamente estrechas (de pequeño diámetro) para evitar el peligro de colapso; ¡deben ser inteligentes!

Además, a través de experimentos sistemáticos, los investigadores definieron y midieron la resistencia de una estructura de túnel en materia granular húmeda. El resultado medido fue básicamente consistente con estudios previos similares de mecánica granular húmeda.

Usando los valores de resistencia obtenidos, los investigadores también estimaron el límite inferior de tamaño de las estructuras de los pozos que se encuentran en la superficie de los cometas. Se enfocaron en superficies cometarias cubiertas con estructuras de pozos cuyo origen plausible es el colapso de vacíos debido a la sublimación de materiales volátiles dentro del cometa. La superficie de un cometa típico consiste en una mezcla de hielo y partículas sólidas. Este tipo de mezcla es también una especie de materia granular cohesiva típica, como la materia granular húmeda utilizada en el experimento.

Dado que un pequeño vacío se encogerá y no colapsará, Es poco probable que se creen pequeños pozos por un vacío que colapsa debajo de la superficie. En efecto, los valores medidos de los hoyos en la superficie de los cometas parecen tener un límite inferior.

Al combinar todos los resultados experimentales y la información de observación (resistencia del material de la superficie y aceleración gravitacional que son significativamente diferentes del material de la Tierra), Los investigadores confirmaron que el modelo de límites de contracción-colapso es aproximadamente consistente con el límite inferior observado del tamaño de las estructuras de los pozos de los cometas. El experimento se resume en la Fig.3.

En este estudio experimental, el sistema modelo se simplificó enormemente. Aunque los investigadores creen que el comportamiento esencial de la estructura del túnel en la capa granular cohesiva se comprendió correctamente en el estudio, se requieren experimentos mucho más realistas para abordar los detalles específicos. Por una cosa, los umbrales de tamaño pueden depender de la forma del grano. Además, más estudios de cangrejos en el campo mejorarían la comprensión de las madrigueras de cangrejos. Es más, este tipo de colapso vacío en materia granular cohesiva podría ser más universal de lo que se pensaba anteriormente. Los investigadores sugieren considerar aplicaciones más amplias. Por ejemplo, en noviembre de 2016, una carretera en la ciudad de Fukuoka, en el sur de Japón, colapsó repentinamente. Esto también representa un tipo de peligro de colapso de un vacío en una capa granular cohesiva. Es decir, los hallazgos pueden ser relevantes para las técnicas de prevención de desastres, así como.