Fokus på korn, forskere løser et mysterium om flodernes strømning

Når man tager en mere enkel tilgang til et komplekst problem, Yale -forskere har et svar på, hvorfor store korn bevæger sig lettere end mindre, når de drives af væskestrøm langs et flodleje - et spørgsmål, der har forvirret forskere i årtier.

Meget af den naturlige verden er formet af strømmende vand, der flytter sediment, sand, småsten, og andre korn. At forstå præcis hvornår og hvorfor korn begynder at bevæge sig som reaktion på komplekse væskekræfter ville have store anvendelser inden for økologi, landbrug, og andre felter.

I forskergruppen til Corey O'Hern, lektor i maskinteknik og materialevidenskab, fysik, og anvendt fysik forskere udviklede computersimuleringer for at observere, hvordan korn bevæger sig og interagerer i en væskestrøm over et granulært leje - f.eks. en flod, der løber over et bund af sand eller grus. Deres resultater offentliggøres 28. marts i Fysisk gennemgangsvæske .

Det er ekstremt kompliceret at bestemme, hvordan korn transporteres sammen med væskestrømmen på grund af de mange involverede variabler - herunder kornstørrelse, friktion mellem korn og korn, ikke-sfærisk kornform, og væsketurbulens. Når man studerer en så kompleks proces, forskere fokuserer ofte på aspekterne af problemet, som de synes er de vigtigste, og forenkler andre aspekter så meget som muligt. Meget af den tidligere forskning på dette område har fokuseret på de væskekræfter, der får hvilende korn til at begynde at bevæge sig, men Yale-undersøgelsen tyder på, at mere opmærksomhed bør fokuseres på, hvad der sker, mens kornene allerede er i bevægelse.

"Forskere har traditionelt overbetonet væskemekanikken og behandlet kornene mere som en statisk seng, "sagde Yale -forskeren Abram Clark, hovedforfatter af undersøgelsen. "Vores tilgang overvejer problemet med sedimenttransport fra den anden retning, fokusere mere på det granulerede leje - især bevægelige korn - og behandle væsken på en enkel måde. I stedet for at tænke på, hvornår statiske korn først begynder at bevæge sig, vi stiller spørgsmålet:Hvornår stopper bevægelige korn? "

Korn i bevægelse leder hovedsageligt efter en stabil "lomme, "eller en lokal region af sengens overflade, hvor nabokorn kan støtte dem mod væskekræfter. Denne undersøgelse brugte teoretiske beregninger og computersimuleringer til at forklare et mangeårigt mysterium om, hvorfor store korn bevæger sig betydeligt lettere end små korn, selv efter at have taget højde for forskellen i vægt. Forskerne fandt ud af, at interaktionen mellem korn og væske får store korn og små korn til at bevæge sig på grundlæggende forskellige måder. Store korn accelererer, når de hopper langs sengen, hvorimod små korn ikke gør. Dette tillader meget små korn, såsom silt eller fint sand, at stoppe meget nemmere end groft sand eller småsten. Alle andre faktorer, såsom graden af ​​væsketurbulens eller andre kendetegn ved kornene, spille en sekundær rolle.

O'Hern-gruppen startede med et modelsystem, der omfattede størrelsesafhængig korndynamik, men var ellers så enkelt som muligt. På trods af at man begyndte med sfærisk, friktionsfrie korn og en meget forenklet væskestrøm, resultaterne fra computersimuleringerne var meget tæt på dem, der blev produceret i naturen, som indsamlet i mere end 100 års data fra forsøg og feltundersøgelser. Gruppen udvidede simuleringerne ved at variere yderligere parametre såsom korn-friktion, kornform, og endda den matematiske form for væske-korn-interaktionerne. Imidlertid, så længe den korrekte størrelsesafhængige korndynamik var inkluderet, resultaterne var næsten identiske med dem, der findes i naturen.

"Vi tilføjer ikke alle de fysiske effekter til en model på én gang, " sagde Clark, en postdoktoral forskningsassistent i O'Herns forskergruppe. En forenkling af modellen til kun at omfatte nogle få elementer giver faktisk forskerne et klarere billede af de vigtigste ingredienser. "Hvis du forenkler et komplekst problem ned til en eller to ingredienser, og du forudsiger stadig den korrekte adfærd, det er et meget stærkt bevis på, at disse ingredienser er ansvarlige for den adfærd, du ser i naturen."