Un granchio scavatore e tane trovate sulla spiaggia sabbiosa di Ishigaki, Giappone; e un diagramma schematico di una spiaggia sabbiosa con tane di granchio. Credito:Hiroaki Katsuragi
I ricercatori dell'Università di Nagoya riportano una connessione meccanica tra le larghezze delle tane dei granchi di sabbia e le larghezze delle fosse comete utilizzando un semplice esperimento granulare.
I fori su una spiaggia sabbiosa in prossimità del litorale sono spesso ingressi alle tane dei granchi di sabbia (Fig. 1). Colpisce il fatto che le dimensioni (diametri di ingresso) delle tane abbiano un valore tipico (da 2 a 3 cm circa). Inoltre, non ci sono ampi ingressi (es. 10 cm di diametro). Perché i granchi scavano solo tane strette? Certo, la dimensione del granchio è un fattore:non ha bisogno di una grande tana se la sua dimensione del carapace è piccola. Però, molti tipi di granchi sono molto più grandi dei granchi di sabbia:perché non scavano tane nella sabbia della spiaggia, pure?
Un altro fattore deve essere all'opera. Forse la dimensione delle tane dei granchi di sabbia è determinata dal vincolo meccanico del substrato:sabbia bagnata. Questa semplice idea è stata il punto di partenza dello studio. I ricercatori hanno studiato la stabilità e la forza delle strutture simili a cunicoli utilizzando un sistema modello semplificato. Allo stesso tempo, si sono resi conto che la struttura del vuoto (o del foro) all'interno della materia granulare coesiva è onnipresente; Per esempio, è noto che i vuoti esistono all'interno delle comete.
Inoltre, è anche noto che i vuoti possono essere soggetti a collasso. Perciò, un semplice sistema modello potrebbe essere utile per spiegare una varietà di fenomeni naturali di collasso del vuoto, compresi quelli trovati sulle comete.
In questo studio è stato eseguito un esperimento di compressione del tunnel utilizzando una macchina di prova universale (A). Uno strato granulare umido con struttura a tunnel orizzontale è stato preparato in un recipiente acrilico (B). L'intero strato granulare umido, compresa la struttura del tunnel, è stato compresso uniformemente. Credito:Hiroaki Katsuragi
Semplicemente comprimendo una struttura a tunnel orizzontale in uno strato granulare umido prodotto dalla miscelazione di acqua e perle di vetro (Fig. 2), i ricercatori hanno osservato tre modalità di deformazione:(i) restringimento senza collasso; (ii) ritiro con collasso ma senza cedimento; e (iii) crollo con subsidenza. La modalità (i) può essere osservata quando il diametro iniziale del tunnel è sufficientemente piccolo. All'aumentare del diametro iniziale del tunnel, la modalità di deformazione diventa instabile. La struttura del tunnel caricata subisce quindi un collasso di tipo (ii) o (iii) a seconda delle condizioni sperimentali (diametro iniziale del tunnel e granulometria). Abbiamo trovato che il confine tra (i) e (ii, iii) ha un diametro di circa 5 cm. In realtà, questo valore è abbastanza vicino al limite superiore delle dimensioni delle tane di granchio riscontrate nel campo. Questa corrispondenza suggerisce che i granchi fanno tane relativamente strette (di piccolo diametro) per prevenire il rischio di collasso:devono essere intelligenti!
Inoltre, attraverso esperimenti sistematici, i ricercatori hanno definito e misurato la resistenza di una struttura a tunnel in materia granulare umida. Il risultato misurato era sostanzialmente coerente con studi precedenti simili sulla meccanica granulare umida.
Utilizzando i valori di resistenza ottenuti, i ricercatori hanno anche stimato il limite inferiore delle dimensioni delle strutture a pozzo trovate sulla superficie delle comete. Si sono concentrati su superfici comete ricoperte da strutture a fossa la cui origine plausibile è il collasso di vuoti dovuto alla sublimazione di materiali volatili all'interno della cometa. La superficie di una tipica cometa è costituita da una miscela di ghiaccio e particelle solide. Questo tipo di miscela è anche una sorta di tipica materia granulare coesiva, come la materia granulare umida utilizzata nell'esperimento.
Per costruire tane di sicurezza, i granchi di sabbia scavano gallerie relativamente strette. È probabile che le tane di grandi dimensioni collassino. Le strutture a fossa trovate sulle superfici delle comete hanno un intervallo di dimensioni caratteristico che è coerente con la condizione di collasso delle strutture vuote nella materia granulare coesiva. Pertanto sembra che sia le tane dei granchi che le fosse comete siano governate dalla stabilità dei vuoti nella materia granulare coesiva. Credito:Hiroaki Katsuragi
Poiché un piccolo vuoto si ridurrà e non collasserà, è improbabile che si creino piccole fosse da un vuoto che collassa sotto la superficie. Infatti, i valori misurati dei pozzi sulle superfici delle comete sembrano avere un limite inferiore.
Combinando tutti i risultati sperimentali e le informazioni osservative (resistenza del materiale superficiale e accelerazione gravitazionale che sono significativamente differenti dal materiale terrestre), i ricercatori hanno confermato che il modello di confine di restringimento-collasso è approssimativamente coerente con il limite inferiore osservato delle dimensioni delle strutture della fossa della cometa. L'esperimento è riassunto in Fig. 3.
In questo studio sperimentale, il sistema modello è stato estremamente semplificato. Sebbene i ricercatori ritengano che il comportamento essenziale della struttura del tunnel nello strato granulare coesivo sia stato adeguatamente compreso nello studio, sono necessari esperimenti molto più realistici per affrontare i dettagli specifici. Per una cosa, le soglie dimensionali potrebbero dipendere dalla forma del grano. Inoltre, ulteriori studi sui granchi sul campo migliorerebbero la comprensione delle tane dei granchi. Per di più, questo tipo di collasso del vuoto nella materia granulare coesiva potrebbe essere più universale di quanto si pensasse in precedenza. I ricercatori suggeriscono di considerare applicazioni più ampie. Ad esempio, nel novembre 2016, una strada nella città di Fukuoka, nel sud del Giappone, è crollata improvvisamente. Questo rappresenta anche un tipo di rischio di collasso di un vuoto in uno strato granulare coesivo. Questo è, i risultati potrebbero essere rilevanti per le tecniche di prevenzione dei disastri, anche.
