Forstå forudsigelighed og tilfældighed ved at grave i snavs

Ved jordbearbejdning, bladet på jordbearbejdningsværktøjet skærer gennem snavs, løsner den som forberedelse til såning. Smudsgranulatet skubbes til side på en måde, der helt sikkert ser tilfældig ud - men måske ikke er det.

Nu, fra at studere jordbearbejdning, forskere har fundet en måde at skelne mellem, om en sådan proces virkelig er tilfældig, eller kun ser sådan ud og faktisk er forudsigelig og deterministisk - hvilket kan føre til en dybere forståelse og evnen til præcist at styre processen.

Denne matematiske metode, siger forskerne, kunne være nyttig i en række applikationer ud over jorden, fra tørring og sortering af korn til seismologi. De beskriver analysen i denne uge i journalen Kaos .

Under jordbearbejdning, jordpartikler klæber til og gnider mod hinanden. Disse interaktioner udsætter granulatet for kræfter, der svinger i styrke. Under nogle betingelser, disse udsving kan være deterministiske, hvilket betyder, at beregninger kan forudsige, hvordan de resulterende kræfter vil opføre sig på et senere tidspunkt.

For eksempel, disse udsving kan ligne den oscillerende adfærd for en kasse, der sidder på et transportbånd, mens den er bundet til en fjeder. Når transportbåndet bevæger sig, boksen trækker sig væk, strækker fjederen. Når fjederkraften bliver større end friktionskraften, der holder kassen på plads, kassen glider tilbage, kun for at blive trukket igen af ​​transportbåndet. Denne frem og tilbage bevægelse-kaldet stick-slip dynamics-optræder også i interaktionerne mellem korn og andre partikler, slag-slip fejl, der udløser jordskælv, og endda i friktionen af ​​en geckos fødder.

Stick-slip adfærd er deterministisk, men det kan også være kaotisk i visse tilfælde. En lille ændring i systemets indledende forhold kan føre til vildt forskellige resultater.

Men sådan kaotisk opførsel forekommer ofte tilfældig, og at vide, om det virkelig er tilfældigt, er afgørende for at forstå systemet.

"Hvis systemet var et deterministisk kaos, vi kan forvente at begynde at udvikle en metode til at forudsige og kontrollere systemets adfærd med større nøjagtighed, "sagde Kenshi Sakai fra Tokyo University of Agriculture and Technology i Japan." Dog, hvis systemet var stokastisk, det eneste, vi kan gøre, er at estimere sandsynligheden for, at adfærden forekommer. "

Der er matematiske værktøjer, der adskiller deterministisk kaos, som i stick-slip modellen, fra ren tilfældighed. Men, Sakai sagde, disse værktøjer fungerer ikke så godt, når statistisk støj forurener dataene - f.eks. den støj, der er forbundet med den rodede virkelighed ved jordbearbejdning.

Så forskerne søgte en ny teknik, som de testede på en række jordbearbejdningsforsøg. I forsøget, de brugte en enhed udviklet ved University of California, Davis, der måler kræfter, når den skærer gennem jorden. De foretog disse målinger på Yolo lerjord under fire forhold:dyrket og tørt, bearbejdet og våd, uopfyldt og tørt, og upillede og våde.

Ved at analysere dataene, forskerne beregnede en parameter kaldet normaliseret deterministisk ikke -lineær forudsigelse (NDNP). Det viser sig, at når dette tal er mindre end et, systemet er tilfældigt. Men hvis det er større end én, det er deterministisk. Kun det tilfælde, hvor jorden blev bearbejdet og tør, var deterministisk. Den bearbejdede og våde sag var usikker, med en NDNP -værdi på en.

Disse resultater viser, at NDNP er en relativt enkel måde at afgøre, om et system er deterministisk, Sagde Sakai. En vigtig anvendelse ville være at analysere seismiske data og, måske, for bedre at foregribe fremtidige jordskælv.