Le frane sono un esempio lampante di erosione. Quando i legami che tengono insieme le particelle di terra e roccia sono sopraffatti da una forza, spesso sotto forma di acqua, sufficiente a separare la roccia e il terreno, quella stessa forza rompe i legami con altra roccia e terreno che li tengono in posizione. Un altro tipo di erosione prevede l'utilizzo di un piccolo getto d'aria per rimuovere la polvere da una superficie. Quando la forza dell'aria turbolenta è abbastanza forte da rompere i legami che tengono insieme le singole particelle di polvere, o granelli, e farli aderire alla superficie, anche quella è erosione.

Nell'industria farmaceutica, le dinamiche di coesione/erosione sono estremamente importanti per elaborare con successo le polveri per produrre medicinali. Svolgono anche un ruolo chiave in un altro esempio, piuttosto lontano:l'atterraggio di un veicolo spaziale su una superficie, come la luna. Quando il veicolo spaziale si abbassa, lo scarico dei suoi motori provoca l'erosione e il trasporto del materiale granulare sulla superficie. Il materiale spostato forma un cratere, che deve essere delle giuste dimensioni; troppo stretto o troppo profondo e il veicolo spaziale si ribalterà.

Spesso incontriamo materiali divisi che sono composti da piccole particelle - pensa sabbia sulla spiaggia, suolo, neve e polvere - che possono essere influenzati da qualcosa di più delle semplici forze di attrito, condividendo alcune forze di coesione aggiuntive con i loro vicini. Sebbene la coesione agisca solo tra una particella ei suoi immediati vicini, produce anche effetti macroscopici; ad esempio, provocando l'aggregazione di frammenti di materiale divisi e aggiungendo ulteriore resistenza al composito. La coesione è ciò che provoca la formazione di grumi di polveri, come la farina, e ci consente di creare castelli sulla spiaggia aggiungendo una piccola quantità di acqua alla sabbia asciutta.

Alban Sauret, professore associato presso il Dipartimento di ingegneria meccanica della UC Santa Barbara, è molto interessato a questi processi. Pubblicato sulla rivista Physical Review Fluids , il suo gruppo, incluso il dottorato di ricerca del primo anno. lo studente Ram Sharma e colleghi in Francia, presentano una nuova ricerca che esamina come la coesione tra le particelle può influenzare l'inizio dell'erosione. Utilizzando una tecnica recentemente sviluppata che consente loro di controllare la coesione tra i grani modello e quindi eseguendo esperimenti in cui hanno utilizzato un getto d'aria per spostare i grani, sono stati in grado di acquisire una migliore comprensione della coesione, che tiene insieme le particelle; erosione, che li fa separare; e il trasporto, che implica la distanza percorsa dalle particelle spostate.

La ricerca offre un approccio per quantificare come l'entità della coesione cambia la quantità di stress locale necessaria per avviare l'erosione. Questa comprensione potrebbe essere utilizzata nell'ingegneria civile, ad esempio, per misurare la resistenza e la stabilità del suolo in un'area in cui è prevista la costruzione. Ma i ricercatori sperano anche che il loro modello fornisca prove empiriche per una teoria fisica dell'erosione che includa la coesione e sia rilevante per un'ampia gamma di applicazioni, dalla rimozione della polvere dai pannelli solari (la polvere può ridurre la produzione di energia fino al 40%) all'atterraggio di razzi su altri pianeti.

In presenza di forze esterne, come vento o acqua, la coesione tra le particelle può essere superata. L'inizio dell'erosione si riferisce al punto in cui la forza di trascinamento, esercitata dal fluido o dall'aria, fa perdere il contatto delle particelle con il letto granulare, separandosi sia l'una dall'altra come vicine sia dalla superficie a cui aderiscono. Questo cattura la nostra attuale comprensione abbastanza elementare dell'erosione:se le forze esterne locali su una particella sono maggiori delle forze che la tengono in posizione, si erode, un altro modo per dire che è spostata.

Poiché i fluidi o l'aria applicano sollecitazioni maggiori, ad esempio muovendosi abbastanza velocemente da diventare flussi turbolenti, possono causare una maggiore erosione. Una gamma estremamente ampia di configurazioni di flussi turbolenti che agiscono su una gamma altrettanto ampia di materiali porta all'erosione che vediamo, a livello macro, nelle forme di enormi canyon, consumati nel corso di eoni da fiumi turbolenti, e gigantesche dune di sabbia, modellate da correnti d'aria turbolente. Sorprendentemente, dato che l'erosione guida il ciclo dei sedimenti e rimodella costantemente la superficie della Terra, l'attuale comprensione delle forze erosive non è adeguata a spiegare la ricca varietà di morfologie risultanti.

Mentre l'erosione dei grani non coesivi può essere prevista in modo soddisfacente, l'interazione tra flussi turbolenti ed erosione in presenza di coesione interparticellare non è stata ben studiata. Ma merita studio, dice Sauret, perché "La coesione è ovunque! Se stai modellando qualcosa di semplice come pulire una superficie, per esempio, e il tuo modello non tiene conto correttamente della coesione, probabilmente finirai per adottare un approccio sbagliato —e hai ancora una superficie sporca."

Per controllare la coesione tra le particelle, i ricercatori hanno applicato un rivestimento polimerico a sfere di vetro identiche (analoghe per le particelle) con un diametro di 0,8 millimetri. Lo spessore del rivestimento potrebbe essere aumentato o diminuito proprio per aumentare o diminuire la coesione. Il flusso turbolento è modellato da un getto d'aria variabile diretto al letto granulare.

Gli esperimenti hanno consentito al team di determinare una legge di scala per la soglia alla quale l'erosione supera la coesione interparticellare, indipendentemente dalle specifiche del sistema, come la dimensione delle particelle. Quantificando la relazione tra queste due forze, la ricerca presenta una tecnica che può essere utilizzata per prevedere la soglia di erosione per grani di diverse dimensioni.

I risultati di questo studio, afferma Sauret, possono essere applicati più direttamente al processo di rimozione dei sedimenti coesivi, come polvere e neve, da superfici come i pannelli solari. + Esplora ulteriormente

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