Um caranguejo e tocas encontrados na praia de Ishigaki, Japão; e um diagrama esquemático de uma praia arenosa com tocas de caranguejos. Crédito:Hiroaki Katsuragi
Pesquisadores da Universidade de Nagoya relatam uma conexão mecânica entre as larguras das tocas dos caranguejos da areia e das fossas cometárias usando um experimento granular simples.
Os buracos em uma praia arenosa nas proximidades da costa costumam ser entradas para tocas de caranguejos da areia (Fig. 1). É notável que os tamanhos (diâmetros de entrada) das tocas tenham um valor típico (cerca de 2 a 3 cm). Além disso, não há entradas largas (por exemplo, 10 cm de diâmetro). Por que os caranguejos só cavam tocas estreitas? Claro, o tamanho do caranguejo é um fator - ele não precisa de uma grande toca se o tamanho de sua carapaça for pequeno. Contudo, muitos tipos de caranguejos são muito maiores do que os caranguejos da areia - por que eles não cavam tocas na areia da praia, também?
Outro fator deve estar em ação. Talvez o tamanho das tocas dos caranguejos da areia seja determinado pela restrição mecânica do substrato:areia úmida. Essa ideia simples foi o ponto de partida do estudo. Os pesquisadores estudaram a estabilidade e a resistência de estruturas semelhantes a tocas usando um sistema de modelo simplificado. Ao mesmo tempo, eles perceberam que a estrutura vazia (ou buraco) dentro da matéria granular coesiva é onipresente; por exemplo, sabe-se que existem vazios dentro dos cometas.
Além disso, sabe-se também que os vazios podem estar propensos a desmoronar. Portanto, um sistema de modelo simples pode ser útil para explicar uma variedade de fenômenos naturais de colapso do vazio, incluindo aqueles encontrados em cometas.
O experimento de compressão em túnel usando uma máquina de teste universal foi realizado neste estudo (A). Uma camada granular úmida com estrutura de túnel horizontal foi preparada em um recipiente de acrílico (B). Toda a camada granular úmida, incluindo a estrutura do túnel, foi comprimida uniformemente. Crédito:Hiroaki Katsuragi
Simplesmente comprimindo uma estrutura de túnel horizontal em uma camada granular úmida produzida pela mistura de água e contas de vidro (Fig. 2), os pesquisadores observaram três modos de deformação:(i) encolhimento sem colapso; (ii) redução com colapso, mas sem subsidência; e (iii) colapso com subsidência. O modo (i) pode ser observado quando o diâmetro inicial do túnel é suficientemente pequeno. Conforme o diâmetro inicial do túnel é aumentado, o modo de deformação torna-se instável. A estrutura do túnel carregada então experimenta colapso do tipo (ii) ou (iii) dependendo das condições experimentais (diâmetro inicial do túnel e tamanho de grão). Descobrimos que a fronteira entre (i) e (ii, iii) tem aproximadamente 5 cm de diâmetro. Na realidade, este valor está bastante próximo do limite superior dos tamanhos de tocas de caranguejo encontrados no campo. Essa correspondência sugere que os caranguejos fazem tocas relativamente estreitas (de diâmetro pequeno) para evitar o risco de colapso - eles devem ser espertos!
Além disso, por meio de experimentos sistemáticos, os pesquisadores definiram e mediram a resistência de uma estrutura de túnel em matéria granular úmida. O resultado medido foi basicamente consistente com estudos anteriores semelhantes de mecânica granular úmida.
Usando os valores de força obtidos, os pesquisadores também estimaram o limite inferior do tamanho das estruturas de fossas encontradas na superfície dos cometas. Eles se concentraram em superfícies cometárias cobertas por estruturas de fossos cuja origem plausível é o colapso de vazios devido à sublimação de materiais voláteis dentro do cometa. A superfície de um cometa típico consiste em uma mistura de gelo e partículas sólidas. Este tipo de mistura também é uma espécie de matéria granular coesiva típica, como a matéria granular úmida usada no experimento.
Para construir tocas de segurança, os caranguejos da areia escavam túneis relativamente estreitos. É provável que grandes tocas desmoronem. As estruturas do poço encontradas nas superfícies do cometa têm uma faixa de tamanho característica que é consistente com a condição de colapso das estruturas vazias na matéria granular coesiva. Portanto, parece que tanto as tocas de caranguejo quanto as fossas cometárias são governadas pela estabilidade dos vazios na matéria granular coesiva. Crédito:Hiroaki Katsuragi
Uma vez que um pequeno vazio encolherá e não entrará em colapso, É improvável que pequenos poços sejam criados por um vazio que desmorona abaixo da superfície. De fato, os valores medidos das cavidades nas superfícies do cometa parecem ter um limite inferior.
Ao combinar todos os resultados experimentais e informações observacionais (força do material da superfície e aceleração gravitacional que são significativamente diferentes do material da Terra), os pesquisadores confirmaram que o modelo de limite de retração-colapso é aproximadamente consistente com o limite inferior observado do tamanho das estruturas do poço do cometa. O experimento está resumido na Fig. 3.
Neste estudo experimental, o sistema do modelo foi extremamente simplificado. Embora os pesquisadores acreditem que o comportamento essencial da estrutura do túnel na camada granular coesa foi devidamente compreendido no estudo, experimentos muito mais realistas são necessários para abordar os detalhes específicos. Por uma coisa, os limites de tamanho podem depender do formato do grão. Além disso, mais estudos sobre caranguejos no campo melhorariam a compreensão das tocas de caranguejos. Além disso, este tipo de colapso vazio em matéria granular coesa pode ser mais universal do que se pensava anteriormente. Os pesquisadores sugerem considerar aplicações mais amplas. Por exemplo, em novembro de 2016, uma estrada na cidade de Fukuoka, no sul do Japão, desabou repentinamente. Isso também representa um tipo de risco de colapso de um vazio em uma camada granular coesiva. Isso é, as descobertas podem ser relevantes para as técnicas de prevenção de desastres, também.
