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    O estudo revela a misteriosa igualdade com que os grãos o embalam
    p Crédito CC0:domínio público

    p No momento em que eles estão juntos, os grãos individuais em materiais como areia e neve parecem ter exatamente a mesma probabilidade de se combinar em qualquer um de seus muitos bilhões de arranjos possíveis, pesquisadores mostraram. p A descoberta, por uma equipe internacional de acadêmicos da Universidade de Cambridge, REINO UNIDO, e a Brandeis University nos EUA, parece confirmar uma teoria matemática de décadas que nunca foi provada, mas fornece a base para uma melhor compreensão dos materiais granulares - uma das classes de material mais significativas industrialmente do planeta.

    p Um material granular é qualquer coisa que contenha partículas sólidas que podem ser vistas individualmente a olho nu. Exemplos incluem areia, cascalho, neve, carvão, café, e arroz.

    p Se correto, a teoria demonstrada no novo estudo aponta para um fato de notável - e um tanto misterioso - simetria matemática. Isso significa, por exemplo, que cada arranjo possível dos grãos de areia dentro de uma duna de areia é exatamente tão provável quanto qualquer outro.

    p O estudo foi liderado por Stefano Martiniani, que trabalha na Universidade de Nova York, mas realizou a pesquisa enquanto concluía seu doutorado no St John's College, Universidade de Cambridge.

    p "Os materiais granulares são tão amplamente usados ​​que entender sua física é muito importante, "Martiniani disse." Esta teoria nos dá uma maneira muito simples e elegante de descrever seu comportamento. Claramente, algo muito especial está acontecendo em sua física no momento em que os grãos se compactam dessa maneira. "

    p A conjectura que Martiniani testou foi proposta pela primeira vez em 1989 pelo físico de Cambridge Sir Sam F. Edwards, em um esforço para compreender melhor as propriedades físicas dos materiais granulares.

    p Globalmente, estes são o segundo tipo de material mais processado na indústria (depois da água) e básicos em setores como energia, alimentos e produtos farmacêuticos. No mundo natural, vastos conjuntos granulares, como dunas de areia, interagir diretamente com o vento, água e vegetação. No entanto, as leis físicas que determinam como eles se comportam em diferentes condições ainda são mal compreendidas. Areia, por exemplo, se comporta como um sólido quando pressionado, mas flui como um líquido quando solto.

    p Compreender mais sobre a mecânica dos materiais granulares é de grande importância prática. Quando eles atolam durante o processamento industrial, por exemplo, pode causar interrupções e danos significativos. Igualmente, o potencial de materiais granulares para "desbloquear" pode ser desastroso, como quando o solo ou neve afrouxa repentinamente, causando um deslizamento de terra ou avalanche.

    p No cerne da proposta de Edwards estava uma hipótese simples:se alguém não adicionar explicitamente um viés ao preparar uma embalagem atolada de materiais granulares - por exemplo, despejando areia em um recipiente - então qualquer arranjo possível dos grãos dentro de um determinado volume irá ocorrer com a mesma probabilidade.

    p Este é o análogo da suposição que está no cerne da mecânica estatística de equilíbrio - que todos os estados com a mesma energia ocorrem com probabilidade igual. Como resultado, a hipótese de Edwards ofereceu uma maneira para os pesquisadores desenvolverem uma estrutura de mecânica estatística para materiais granulares, que tem sido uma área de intensa atividade nas últimas duas décadas.

    p Mas a hipótese era impossível de testar - até porque acima de um punhado de grãos, o número de arranjos possíveis torna-se incomensuravelmente enorme. O próprio Edwards morreu em 2015, com sua teoria ainda o assunto de acalorado debate científico.

    p Agora, Martiniani e colegas conseguiram colocar sua conjectura em teste direto, e, para sua surpresa, descobriram que isso é verdade em termos gerais. Desde que os grãos estejam no ponto em que acabaram de se aglomerar (ou estão prestes a se separar), todas as configurações possíveis são de fato igualmente prováveis.

    p Felizmente, este ponto crítico - conhecido como transição de bloqueio - também é o ponto de significado prático para muitos dos materiais granulares usados ​​na indústria. Embora Martiniani tenha modelado um sistema que compreende esferas suaves, um pouco como bolas de tênis esponja, muitos materiais granulares são grãos duros que não podem ser mais comprimidos depois de embalados.

    p "Além de ser uma teoria muito bonita, este estudo nos dá a confiança de que a estrutura de Edwards estava correta, "Martiniani disse." Isso significa que podemos usá-lo como uma lente através da qual olhar para toda uma gama de problemas relacionados. "

    p Além de informar os processos existentes que envolvem materiais granulares, há um significado mais amplo para melhor compreender sua mecânica. Na física, um "sistema" é qualquer coisa que envolva partículas discretas operando como parte de uma rede mais ampla. Embora maior em escala, a forma como os icebergs funcionam como parte de um bloco de gelo, ou a forma como os veículos individuais se movem dentro de um fluxo de tráfego (e às vezes congestionam), pode ser estudado usando uma base teórica semelhante.

    p O estudo de Martiniani foi realizado durante seu doutorado sob a supervisão do Professor Daan Frenkel. Ele se baseou em pesquisas anteriores nas quais ele desenvolveu novos métodos para calcular a probabilidade de sistemas granulares empacotados em diferentes configurações, apesar do grande número envolvido. Em trabalho publicado no ano passado, por exemplo, ele e seus colegas usaram modelagem por computador para descobrir de quantas maneiras um sistema contendo 128 bolas de tênis poderia ser potencialmente organizado. A resposta acabou sendo dez unquadragintilliard - um número tão grande que excede em muito o número total de partículas no universo.

    p No novo estudo, os pesquisadores empregaram uma técnica de amostragem que tenta calcular a probabilidade de diferentes arranjos de grãos sem realmente olhar para a frequência com que esses arranjos ocorrem. Em vez de tirar uma média de amostras aleatórias, o método envolve o cálculo dos limites da possibilidade de arranjos específicos, e então calcula a probabilidade geral disso.

    p A equipe aplicou isso a um modelo de computador de 64 esferas suaves - um sistema imaginário que poderia, portanto, ser "supercomprimido" após atingir o ponto de transição de interferência. Em um estado supercomprimido, constatou-se que os diferentes arranjos têm diferentes probabilidades de ocorrência. Mas, à medida que o sistema se descompactava ao ponto da transição de interferência, em que os grãos estavam efetivamente apenas se tocando, os pesquisadores descobriram que todas as probabilidades se tornaram iguais - exatamente como Edwards previu.

    p "Em 1989, não tínhamos meios de estudar se Edwards estava certo ou não, "Martiniani acrescentou." Agora que sabemos, podemos entender mais sobre como funcionam os materiais granulares; como eles fluem, porque eles ficam presos, e como podemos usá-los e gerenciá-los melhor em uma ampla gama de situações diferentes. "

    p O estudo, O teste numérico da conjectura de Edwards mostra que todas as embalagens se tornam igualmente prováveis ​​no momento do bloqueio é publicado no jornal Física da Natureza .
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