Retire a tampa de uma lata de nozes e, as chances são, A castanha do Brasil estará no topo. Este fenômeno, de grandes partículas que tendem a subir para o topo das misturas, enquanto as pequenas partículas tendem a afundar, é popularmente conhecido como "efeito castanha do Brasil" e, mais tecnicamente, como segregação granular.

Olhe para o topo do leito de um rio e é fácil traçar um paralelo:o topo de um leito de rio é normalmente revestido de paralelepípedos maiores, enquanto areia mais fina e pequenas partículas de cascalho constituem as camadas mais profundas.

Os físicos preocupados com o movimento das partículas refletiram muito sobre a mecânica pela qual as partículas se classificam nesses tipos de cenários, mas essa pesquisa não foi traduzida para as ciências da terra até agora. Em um novo estudo, geofísicos da Universidade da Pensilvânia descobriram que a segregação granular ajuda a explicar a tendência dos leitos dos rios serem revestidos por, ou "blindado" com, uma camada de partículas relativamente maiores.

Publicado no jornal Nature Communications , as descobertas aumentam a compreensão de como os leitos dos rios se formam, com implicações em como os rios também podem sofrer erosão. Mas a pesquisa também traz novos insights sobre a física fundamental da segregação de partículas, que se aplicam a todos os tipos de materiais granulares, de leitos de rios e solos a substâncias industriais e farmacêuticas.

"Existe esse fenômeno de segregação granular que tem sido estudado há décadas, "disse Douglas J. Jerolmack, professor associado do Departamento de Ciências Terrestres e Ambientais da Escola de Artes e Ciências da Penn, "e há esta explicação separada por geólogos e engenheiros sobre por que os leitos dos rios recebem uma camada grossa na superfície, e os dois nunca se encontraram antes. Nossa principal contribuição aqui é realmente pegar o entendimento da física granular da segregação de partículas - como as partículas grandes segregam e sobem para a superfície - e apresentá-lo ao problema do rio. "

Jerolmack colaborou no trabalho com os pesquisadores de pós-doutorado Behrooz Ferdowsi, agora na Princeton University; Carlos P. Ortiz, agora na Deloitte Consulting; e Morgane Houssais, agora na City University of New York. A blindagem do leito do rio é vista quase universalmente e é considerada uma forma de os rios prevenirem a erosão excessiva.

"Chamamos isso de blindagem porque as partículas maiores são como uma blindagem que protege o leito do rio sob a erosão, "Jerolmack disse." Se houver grandes pedras no leito do rio, então vou precisar de uma grande inundação para movê-los. "

Os geólogos geralmente pensam que a mecânica dos fluidos controla esse padrão. A água do rio lavaria as partículas mais finas, deixando as partículas maiores para trás.

Mas a equipe liderada por Penn reconheceu que esta explicação falhava em conceber o leito do rio como um sistema granular, que também estaria sujeito ao efeito castanha-do-pará, não apenas a força de cisalhamento da água.

Para ver se a segregação granular se aplica a um sistema de fluido, os pesquisadores se voltaram para um substituto de laboratório para um rio:um canal em forma de donut cheio de partículas esféricas grandes e pequenas. A tampa do canal empurra o fluido sobre as partículas, replicando o fluxo de um rio.

Como eles mostraram em um estudo anterior, as partículas se movem ao longo do leito do rio por dois mecanismos:aquelas no topo são empurradas pelo fluxo de líquido, enquanto os mais profundos se arrastam lentamente devido à interação entre as partículas.

No novo trabalho, a equipe da Penn queria entender como essas partículas se moviam não apenas horizontalmente, mas também verticalmente na cama.

Usando seu canal personalizado e fluido incorporado com um corante fluorescente, Jerolmack e seus colegas conseguiram varrer toda a profundidade do canal e visualizar todo o plano de partículas, mesmo aqueles enterrados sob várias dezenas de outras partículas.

"É quase como tirar um raio-X de nossa amostra granular, mas com um laser e fotografias, "Jerolmack disse.

Com a ajuda de um programa de software, eles foram capazes de rastrear as posições horizontal e vertical de todas essas partículas ao longo do tempo. E viram o efeito castanha do Brasil em ação.

"Neste experimento de laboratório de um rio muito simplificado, "Jerolmack disse, "vimos isso, quando temos um líquido empurrando grãos no leito do rio, aqueles grãos empurram os grãos por baixo deles que empurram os grãos que estão embaixo deles e assim por diante, e cria esse movimento de empurrão que permite que partículas grandes flutuem para cima. Assim, confirmamos que este comportamento geral que é visto em sistemas granulares parece ocorrer também em rios. "

Outra descoberta importante, confirmado por simulações de computador que explicam o atrito sentido por cada partícula no leito do rio, era que essa segregação de partículas por tamanho ocorria em dois estágios. Em primeiro, as partículas maiores perto da superfície do leito do rio subiram, enquanto os embalados nas partes mais profundas da cama pareciam permanecer quase imóveis. Mas em um segundo estágio, esses rastejantes, grãos mais profundos começaram a classificar, os grandes ocasionalmente sendo sugados pelas partículas de fluxo mais rápido em direção ao topo do leito do rio e empurrando para cima.

"Basicamente, ninguém tinha procurado ver se materiais granulares extremamente lentos contribuíam para a segregação, "Jerolmack disse." A observação de que vimos a segregação acontecendo, que as partículas grossas estavam se movendo para cima a partir desta camada rasteira, é totalmente novo para a ciência e também tem todos os tipos de implicações. Isso pode explicar como vemos a segregação acontecendo em lugares de movimento lento, como solos em uma encosta, onde tendemos a encontrar partículas grossas na superfície, apesar de não haver nenhuma força fluida movendo-se sobre eles. "

Os pesquisadores acharam difícil prever quando os rios erodem, ou quando encostas se dissolvem em deslizamentos de terra, e essas descobertas podem ajudar a explicar por que essas previsões se mostraram tão elusivas.

"Trabalhamos nesses problemas há 100 anos, e ainda não podemos prever com muita certeza qual força do fluido fará com que os grãos comecem a corroer, "Jerolmack disse." E esse ponto muda com o tempo. Projetos de engenharia fluvial, pontes e edifícios dependem de estimativas do limiar de erosão. Acho que precisamos começar do zero com uma nova estrutura que incorpora física granular. "

Embora esses experimentos e simulações não possam fornecer uma replicação exata para as condições complexas vistas nos rios, como turbulência, Jerolmack observa que as descobertas apontam para a necessidade de integrar as ciências da terra com a pesquisa da física fundamental para avançar o conhecimento em ambas as esferas.

"Nossa incapacidade de prever quando ocorrerá a erosão, nossa incapacidade de prever quando um lento, a pilha de sujeira escorrendo em uma colina de repente se tornará um deslizamento de terra, é porque estamos contra o nosso limite de compreensão fundamental de como os materiais desordenados se comportam, "Jerolmack disse." Precisamos avançar nossa compreensão da física fundamental de materiais desordenados, a fim de ter qualquer chance de fazer previsões no reino dos materiais terrestres. E este é um problema em que acho que começamos a fazer isso.

"Penn é o lugar ideal para fazer isso, "disse ele." Aqui há um grande número de físicos e engenheiros com uma visão ampla e interdisciplinar da ciência dos materiais. Colaborações facilitadas pelo Centro de Engenharia e Ciência de Pesquisa de Materiais tornaram este tipo de trabalho possível. "