Adottare un approccio più semplice a un problema complesso, I ricercatori di Yale hanno una risposta al motivo per cui i grani grandi si muovono più facilmente di quelli più piccoli quando spinti dal flusso di fluidi lungo il letto di un fiume, una domanda che ha confuso gli scienziati per decenni.

Gran parte del mondo naturale è modellato dall'acqua che scorre che muove i sedimenti, sabbia, ciottoli, e altri cereali. Capire esattamente quando e perché i grani iniziano a muoversi in risposta a complesse forze fluide avrebbe importanti applicazioni in ecologia, agricoltura, e altri campi.

Nel gruppo di ricerca di Corey O'Hern, professore associato di ingegneria meccanica e scienza dei materiali, fisica, e fisica applicata, i ricercatori hanno sviluppato simulazioni al computer per osservare come i grani si muovono e interagiscono in un flusso di fluido su un letto granulare, ad esempio, un fiume che scorre su un letto di sabbia o ghiaia. I loro risultati sono pubblicati il ​​28 marzo in Fluido per la revisione fisica .

Determinare come i grani vengono trasportati insieme al flusso del fluido è estremamente complicato a causa delle molte variabili coinvolte, tra cui la dimensione dei grani, attrito grano-grana, forma del grano non sferico, e turbolenza dei fluidi. Quando si studia un processo così complesso, gli scienziati spesso si concentrano sugli aspetti del problema che ritengono i più importanti e semplificano il più possibile altri aspetti. Gran parte della ricerca precedente in questo campo si è concentrata sulle forze fluide che fanno sì che i grani a riposo inizino a muoversi, ma lo studio di Yale suggerisce che si dovrebbe concentrare più attenzione su ciò che sta accadendo mentre i grani sono già in movimento.

"I ricercatori hanno tradizionalmente enfatizzato eccessivamente la meccanica dei fluidi e trattato i grani più come un letto statico, " ha detto il ricercatore di Yale Abram Clark, autore principale dello studio. "Il nostro approccio considera il problema del trasporto di sedimenti dall'altra direzione, concentrandosi maggiormente sul letto granulare, in particolare spostando i grani, e trattando il fluido in modo semplice. Invece di pensare a quando i grani statici inizieranno a muoversi, stiamo ponendo la domanda:quando si fermeranno i grani in movimento?"

I grani in movimento sono essenzialmente alla ricerca di una "tasca" stabile, " o una regione locale della superficie del letto in cui i grani vicini possono sostenerli contro le forze fluide. Questo studio ha utilizzato calcoli teorici e simulazioni al computer per spiegare un mistero di lunga data del perché i grani grandi si muovono significativamente più facilmente dei grani piccoli, anche dopo aver tenuto conto della differenza di peso. I ricercatori hanno scoperto che l'interazione tra grani e fluido fa sì che i grani grandi e i grani piccoli si muovano in modi fondamentalmente diversi. I grani grossi accelerano mentre saltano lungo il letto, mentre i piccoli grani no. Ciò consente grani molto piccoli, come limo o sabbia fine, fermarsi molto più facilmente della sabbia grossolana o dei ciottoli. Tutti gli altri fattori, come il grado di turbolenza del fluido o altre caratteristiche dei grani, svolgere un ruolo secondario.

Il gruppo O'Hern ha iniziato con un sistema modello che includeva dinamiche del grano dipendenti dalle dimensioni, ma per il resto era il più semplice possibile. Nonostante inizi con sferico, grani privi di attrito e un flusso di fluido notevolmente semplificato, i risultati delle simulazioni al computer erano molto vicini a quelli prodotti in natura, come raccolto in più di 100 anni di dati da esperimenti e studi sul campo. Il gruppo ha esteso le simulazioni variando parametri aggiuntivi come l'attrito grano-grano, forma del grano, e anche la forma matematica delle interazioni fluido-grano. Però, purché siano state incluse le corrette dinamiche dei grani dipendenti dalla dimensione, i risultati erano quasi identici a quelli trovati in natura.

"Non aggiungiamo tutti gli effetti fisici in un modello in una volta, "disse Clark, un associato di ricerca post-dottorato nel gruppo di ricerca di O'Hern. Semplificare il modello per includere solo pochi elementi offre ai ricercatori un'immagine più chiara degli ingredienti più importanti. "Se riduci un problema complesso a uno o due ingredienti, e prevedi ancora il comportamento corretto, questa è una prova molto forte che quegli ingredienti sono responsabili del comportamento che stai vedendo in natura".