Een eenvoudigere benadering van een complex probleem, Yale-onderzoekers hebben een antwoord op de vraag waarom grote korrels gemakkelijker bewegen dan kleinere wanneer ze worden aangedreven door vloeistofstroom langs een rivierbedding - een vraag die wetenschappers al tientallen jaren in verwarring brengt.

Een groot deel van de natuurlijke wereld wordt gevormd door stromend water dat sediment verplaatst, zand, kiezels, en andere granen. Als we precies begrijpen wanneer en waarom korrels beginnen te bewegen als reactie op complexe vloeistofkrachten, zou dit belangrijke toepassingen hebben in de ecologie, landbouw, en andere velden.

In de onderzoeksgroep van Corey O'Hern, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde &materiaalkunde, natuurkunde, en toegepaste natuurkunde, onderzoekers ontwikkelden computersimulaties om te observeren hoe korrels bewegen en interageren in een vloeistofstroom over een korrelig bed, bijvoorbeeld, een rivier die over een bedding van zand of grind stroomt. Hun resultaten worden op 28 maart gepubliceerd in Fysieke beoordelingsvloeistof .

Bepalen hoe korrels met de vloeistofstroom worden meegevoerd, is buitengewoon gecompliceerd vanwege de vele variabelen die hierbij betrokken zijn, waaronder korrelgrootte, korrel-korrel wrijving, niet-bolvormige korrelvorm, en vloeistofturbulentie. Bij het bestuderen van zo'n complex proces, wetenschappers richten zich vaak op de aspecten van het probleem die zij het belangrijkst vinden en vereenvoudigen andere aspecten zoveel mogelijk. Veel van het eerdere onderzoek op dit gebied was gericht op de vloeistofkrachten die ervoor zorgen dat rustende korrels beginnen te bewegen, maar de Yale-studie suggereert dat er meer aandacht moet worden besteed aan wat er gebeurt terwijl de korrels al in beweging zijn.

"Onderzoekers hebben traditioneel te veel nadruk gelegd op de vloeistofmechanica en behandelden de korrels meer als een statisch bed, " zei Yale-onderzoeker Abram Clark, hoofdauteur van de studie. "Onze aanpak houdt rekening met het probleem van sedimenttransport vanuit de andere richting, meer focussen op het korrelige bed - vooral bewegende korrels - en de vloeistof op een eenvoudige manier behandelen. In plaats van na te denken over wanneer statische korrels voor het eerst gaan bewegen, we stellen de vraag:wanneer stopt het verplaatsen van granen?"

Granen in beweging zijn in wezen op zoek naar een stabiele "pocket, " of een lokaal gebied van het bedoppervlak waar naburige korrels ze kunnen ondersteunen tegen vloeistofkrachten. Deze studie gebruikte theoretische berekeningen en computersimulaties om een ​​al lang bestaand mysterie te verklaren waarom grote korrels aanzienlijk gemakkelijker bewegen dan kleine korrels, zelfs na rekening te houden met het verschil in gewicht. De onderzoekers ontdekten dat de interactie tussen korrels en vloeistof ervoor zorgt dat grote korrels en kleine korrels op fundamenteel verschillende manieren bewegen. Grote korrels versnellen terwijl ze over het bed huppelen, terwijl kleine korrels dat niet doen. Hierdoor kunnen zeer kleine korrels, zoals slib of fijn zand, veel gemakkelijker stoppen dan grof zand of kiezelstenen. Alle andere factoren, zoals de mate van vloeistofturbulentie of andere kenmerken van de korrels, een secundaire rol spelen.

De O'Hern-groep begon met een modelsysteem dat de grootteafhankelijke korreldynamiek, maar was verder zo eenvoudig mogelijk. Ondanks het starten met sferisch, wrijvingsloze korrels en een sterk vereenvoudigde vloeistofstroom, de resultaten van de computersimulaties waren zeer dicht bij die geproduceerd in de natuur, zoals verzameld in meer dan 100 jaar aan gegevens uit experimenten en veldstudies. De groep breidde de simulaties uit door aanvullende parameters te variëren, zoals korrel-korrelwrijving, korrelvorm, en zelfs de wiskundige vorm van de vloeistof-korrel-interacties. Echter, zolang de juiste grootte-afhankelijke korreldynamiek werd opgenomen, de resultaten waren bijna identiek aan die in de natuur.

"We voegen niet alle fysieke effecten in één keer toe aan een model, " zei Clark, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in de onderzoeksgroep van O'Hern. Door het model te vereenvoudigen tot slechts enkele elementen, krijgen de onderzoekers een duidelijker beeld van de belangrijkste ingrediënten. "Als je een complex probleem vereenvoudigt tot één of twee ingrediënten, en je voorspelt nog steeds het juiste gedrag, dat is een heel sterk bewijs dat die ingrediënten verantwoordelijk zijn voor het gedrag dat je in de natuur ziet."