Bij het bewerken van de grond, het blad van het grondbewerkingswerktuig snijdt door het vuil, losmaken ter voorbereiding op het zaaien. De vuilkorrels worden opzij geschoven op een manier die er zeker willekeurig uitziet, maar dat misschien niet is.

Nutsvoorzieningen, van het bestuderen van grondbewerking, onderzoekers hebben een manier gevonden om te onderscheiden of een dergelijk proces echt willekeurig is, of alleen zo lijkt en feitelijk voorspelbaar en deterministisch is - wat kan leiden tot een dieper begrip en het vermogen om het proces nauwkeurig te beheersen.

Deze wiskundige methode, zeggen de onderzoekers, kan nuttig zijn in een reeks toepassingen buiten de bodem, van het drogen en sorteren van granen tot seismologie. Ze beschrijven de analyse deze week in het tijdschrift Chaos .

Tijdens het bewerken, gronddeeltjes kleven aan en wrijven tegen elkaar. Deze interacties onderwerpen de korrels aan krachten die in sterkte oscilleren. Onder bepaalde voorwaarden, deze fluctuaties kunnen deterministisch zijn, wat betekent dat berekeningen kunnen voorspellen hoe de resulterende krachten zich op een later tijdstip zullen gedragen.

Bijvoorbeeld, deze fluctuaties kunnen vergelijkbaar zijn met het oscillerende gedrag van een doos die op een transportband zit terwijl hij aan een veer is vastgemaakt. Terwijl de transportband beweegt, de doos trekt weg, het uitrekken van de veer. Wanneer de veerkracht groter wordt dan de wrijvingskracht die de doos op zijn plaats houdt, de doos schuift terug, alleen om weer door de transportband te worden getrokken. Deze heen-en-weer beweging - stick-slip-dynamica genoemd - komt ook voor in de interacties tussen korrels en andere deeltjes, de strike-slip fouten die aardbevingen veroorzaken, en zelfs in de wrijving van de voeten van een gekko.

Stick-slip gedrag is deterministisch, maar het kan in bepaalde gevallen ook chaotisch zijn. Een kleine verandering in de beginvoorwaarden van het systeem kan tot enorm verschillende uitkomsten leiden.

Maar dergelijk chaotisch gedrag lijkt vaak willekeurig, en weten of het echt willekeurig is, is essentieel om het systeem te begrijpen.

"Als het systeem deterministische chaos was, we kunnen verwachten dat we een methode gaan ontwikkelen om het gedrag van het systeem met hogere nauwkeurigheid te voorspellen en te controleren, " zei Kenshi Sakai van de Tokyo University of Agriculture and Technology in Japan. "Echter, als het systeem stochastisch was, het enige dat we kunnen doen, is de waarschijnlijkheid van het optreden van het gedrag inschatten."

Er zijn wiskundige hulpmiddelen die deterministische chaos onderscheiden, zoals in het stick-slip model, uit pure willekeur. Maar, Sakai zei, die tools werken niet zo goed als statistische ruis de gegevens vervuilt, zoals de ruis die inherent is aan de rommelige realiteit van grondbewerking.

Dus zochten de onderzoekers een nieuwe techniek, die ze testten op een reeks grondbewerkingsexperimenten. In het experiment, ze gebruikten een apparaat ontwikkeld aan de Universiteit van Californië, Davis die krachten meet terwijl hij door de grond snijdt. Ze deden deze metingen op Yolo-leemgrond onder vier omstandigheden:bewerkt en droog, bewerkt en nat, gecultiveerd en droog, en onbebouwd en nat.

Door de gegevens te analyseren, de onderzoekers berekenden een parameter die de genormaliseerde deterministische niet-lineaire voorspelling (NDNP) wordt genoemd. Het blijkt dat wanneer dit aantal kleiner is dan één, het systeem is willekeurig. Maar als het groter is dan één, het is deterministisch. Alleen het geval waarin de grond werd bewerkt en droog was bepalend. De bewerkte en natte koffer was onzeker, met een NDNP-waarde van één.

Deze resultaten laten zien dat NDNP een relatief eenvoudige manier is om te bepalen of een systeem deterministisch is, zei Sakai. Een belangrijk gebruik zou zijn voor het analyseren van seismische gegevens en, misschien, om beter te anticiperen op toekomstige aardbevingen.