Adotando uma abordagem mais simples para um problema complexo, Os pesquisadores de Yale têm uma resposta para o motivo pelo qual os grãos grandes se movem com mais facilidade do que os menores quando impulsionados pelo fluxo de fluido ao longo do leito de um rio - uma questão que confunde os cientistas há décadas.

Muito do mundo natural é moldado por água corrente que move sedimentos, areia, seixos, e outros grãos. Entender exatamente quando e por que os grãos começam a se mover em resposta a complexas forças fluidas teria grandes aplicações em ecologia, agricultura, e outros campos.

No grupo de pesquisa de Corey O'Hern, professor associado de engenharia mecânica e ciência dos materiais, física, e física aplicada, pesquisadores desenvolveram simulações de computador para observar como os grãos se movem e interagem em um fluxo de fluido sobre um leito granular, por exemplo, um rio correndo sobre um leito de areia ou cascalho. Seus resultados são publicados em 28 de março em Fluido de revisão física .

Determinar como os grãos são transportados junto com o fluxo de fluido é extremamente complicado devido às muitas variáveis ​​envolvidas - incluindo o tamanho do grão, atrito grão-grão, formato de grão não esférico, e turbulência fluida. Ao estudar um processo tão complexo, os cientistas freqüentemente focam nos aspectos do problema que eles consideram os mais importantes e simplificam outros aspectos tanto quanto possível. Muitas das pesquisas anteriores neste campo se concentraram nas forças do fluido que fazem com que os grãos em repouso comecem a se mover, mas o estudo de Yale sugere que mais atenção deve ser focada no que está acontecendo enquanto os grãos já estão em movimento.

"Os pesquisadores tradicionalmente enfatizam demais a mecânica dos fluidos e tratam os grãos mais como um leito estático, "disse o pesquisador de Yale Abram Clark, autor principal do estudo. “Nossa abordagem considera o problema do transporte de sedimentos da outra direção, focando mais no leito granular - especialmente grãos em movimento - e tratando o fluido de maneira simples. Em vez de pensar sobre quando os grãos estáticos começarão a se mover, estamos fazendo a seguinte pergunta:quando os grãos vão parar? "

Os grãos em movimento procuram essencialmente um "bolso" estável, "ou uma região local da superfície do leito onde os grãos vizinhos podem apoiá-los contra as forças dos fluidos. Este estudo usou cálculos teóricos e simulações de computador para explicar um antigo mistério de por que os grãos grandes se movem com muito mais facilidade do que os grãos pequenos, mesmo depois de contabilizar a diferença de peso. Os pesquisadores descobriram que a interação entre grãos e fluidos faz com que grãos grandes e pequenos se movam de maneiras fundamentalmente diferentes. Os grãos grandes aceleram enquanto saltam ao longo do leito, ao passo que os grãos pequenos não. Isso permite grãos muito pequenos, como lodo ou areia fina, para parar com muito mais facilidade do que areia grossa ou seixos. Todos os outros fatores, como o grau de turbulência do fluido ou outras características dos grãos, desempenham um papel secundário.

O grupo O'Hern começou com um sistema de modelo que incluía a dinâmica do grão dependente do tamanho, mas, fora isso, era o mais simples possível. Apesar de começar com esférico, grãos sem atrito e um fluxo de fluido bastante simplificado, os resultados das simulações de computador foram muito próximos aos produzidos na natureza, conforme coletado em mais de 100 anos de dados de experimentos e estudos de campo. O grupo estendeu as simulações variando parâmetros adicionais, como atrito grão-grão, forma de grão, e até mesmo a forma matemática das interações fluido-grão. Contudo, contanto que a dinâmica correta do grão dependente do tamanho fosse incluída, os resultados foram quase idênticos aos encontrados na natureza.

"Não adicionamos todos os efeitos físicos em um modelo de uma vez, "disse Clark, um associado de pesquisa de pós-doutorado no grupo de pesquisa de O'Hern. Simplificar o modelo para incluir apenas alguns elementos dá aos pesquisadores uma imagem mais clara dos ingredientes mais importantes. "Se você simplificar um problema complexo para um ou dois ingredientes, e você ainda prevê o comportamento correto, isso é uma evidência muito forte de que esses ingredientes são responsáveis ​​pelo comportamento que você está vendo na natureza. "