Aardverschuivingen zijn een treffend voorbeeld van erosie. Wanneer de bindingen die deeltjes vuil en steen bij elkaar houden, worden overweldigd door een kracht - vaak in de vorm van water - die voldoende is om de rots en de grond uit elkaar te trekken, verbreekt diezelfde kracht de bindingen met andere rotsen en grond die ze op hun plaats houden. Een ander type erosie is het gebruik van een kleine luchtstraal om stof van een oppervlak te verwijderen. Wanneer de kracht van de turbulente lucht sterk genoeg is om de bindingen te verbreken die de afzonderlijke stofdeeltjes, of korrels, bij elkaar houden en ervoor zorgen dat ze aan het oppervlak blijven kleven, is dat ook erosie.

In de farmaceutische industrie is cohesie/erosiedynamiek enorm belangrijk om poeders succesvol te verwerken tot medicijnen. Ze spelen ook een sleutelrol in een ander, nogal ver verwijderd voorbeeld:het landen van een ruimtevaartuig op een oppervlak, zoals de maan. Terwijl het ruimtevaartuig naar beneden gaat, zorgt de uitlaat van zijn motoren ervoor dat het korrelige materiaal op het oppervlak erodeert en wordt getransporteerd. Het verplaatste materiaal vormt een krater, die de juiste afmetingen moet hebben; te smal of te diep, waardoor het ruimtevaartuig omvalt.

We komen vaak verdeelde materialen tegen die zijn samengesteld uit kleine deeltjes - denk aan zand op het strand, aarde, sneeuw en stof - die kunnen worden beïnvloed door meer dan alleen wrijvingskrachten, en wat extra cohesiekrachten delen met hun buren. Hoewel cohesie alleen werkt tussen een deeltje en zijn directe buren, produceert het ook macroscopische effecten; bijvoorbeeld, waardoor verdeelde stukjes materiaal aggregeren en extra sterkte aan het composiet toevoegen. Door cohesie gaan poeders, zoals meel, klonteren en kunnen we kastelen op het strand maken door een kleine hoeveelheid water aan droog zand toe te voegen.

Alban Sauret, een universitair hoofddocent aan de UC Santa Barbara Mechanical Engineering Department, is zeer geïnteresseerd in deze processen. Gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Fluids , zijn groep, waaronder eerstejaars Ph.D. student Ram Sharma en collega's in Frankrijk presenteren nieuw onderzoek waarin wordt onderzocht hoe cohesie tussen deeltjes het begin van erosie kan beïnvloeden. Met behulp van een recent ontwikkelde techniek waarmee ze de cohesie tussen modelkorrels konden controleren en vervolgens experimenten uit te voeren waarbij ze een luchtstraal gebruikten om de korrels te verplaatsen, kregen ze een beter begrip van cohesie, die deeltjes bij elkaar houdt; erosie, waardoor ze scheiden; en transport, wat inhoudt hoe ver de verplaatste deeltjes dan reizen.

Het onderzoek biedt een benadering om te kwantificeren hoe de omvang van cohesie de hoeveelheid lokale spanning verandert die nodig is om erosie te starten. Dit begrip zou bijvoorbeeld in de civiele techniek kunnen worden gebruikt om de sterkte en stabiliteit van de grond te meten in een gebied waar de bouw is gepland. Maar de onderzoekers hopen ook dat hun model empirisch bewijs zal leveren voor een fysische theorie van erosie die cohesie omvat en relevant is voor een breed scala aan toepassingen, van het verwijderen van stof van zonnepanelen (stof kan de energieproductie met maar liefst 40% verminderen) om raketten op andere planeten te laten landen.

In aanwezigheid van externe krachten, zoals van wind of water, kan de samenhang tussen deeltjes worden overwonnen. Het begin van erosie verwijst naar het punt waarop de sleepkracht, uitgeoefend door vloeistof of lucht, ervoor zorgt dat deeltjes het contact met het korrelige bed verliezen, en zowel van elkaar als buren worden gescheiden en van het oppervlak waaraan ze hechten. Dit vat ons vrij elementaire, huidige begrip van erosie samen:als lokale externe krachten op een deeltje groter zijn dan de krachten die het op zijn plaats houden, erodeert het - een andere manier om te zeggen dat het verplaatst is.

Omdat vloeistoffen of lucht grotere spanningen uitoefenen, bijvoorbeeld door snel genoeg te bewegen om turbulente stromingen te worden, kunnen ze grotere erosie veroorzaken. Een buitengewoon breed scala aan turbulente stromingsconfiguraties die inwerken op een even breed scala aan materialen, leiden tot de erosie die we op macroniveau zien in de vorm van enorme canyons, eeuwenlang uitgesleten door turbulente rivieren, en gigantische zandduinen, gevormd door turbulente luchtstromen. Verrassend genoeg is het huidige begrip van erosiekrachten niet voldoende om de rijke verscheidenheid aan resulterende landvormen te verklaren, aangezien erosie de sedimentcyclus aandrijft en het oppervlak van de aarde voortdurend hervormt.

Hoewel erosie van niet-cohesieve korrels naar tevredenheid kan worden voorspeld, is het samenspel tussen turbulente stromingen en erosie in aanwezigheid van cohesie tussen de deeltjes niet goed onderzocht. Maar het verdient studie, zegt Sauret, want "Cohesie is overal! Als je bijvoorbeeld iets eenvoudigs aan het modelleren bent als het schoonmaken van een oppervlak, en je model houdt niet op de juiste manier rekening met cohesie, dan zal je waarschijnlijk een verkeerde benadering kiezen. —en nog steeds een vuil oppervlak hebben."

Om de samenhang tussen deeltjes te beheersen, brachten de onderzoekers een polymeercoating aan op identieke glazen bollen (analoog voor deeltjes) met een diameter van 0,8 millimeter. De dikte van de bekleding kan precies worden vergroot of verkleind om de cohesie te vergroten of te verkleinen. De turbulente stroming wordt gemodelleerd door een variabele luchtstraal gericht op het korrelbed.

Dankzij de experimenten kon het team een ​​schaalwet bepalen voor de drempel waarbij erosie de cohesie tussen de deeltjes overwint, ongeacht de specifieke kenmerken van het systeem, zoals de deeltjesgrootte. Door de relatie tussen deze twee krachten te kwantificeren, presenteert het onderzoek een techniek die kan worden gebruikt om de erosiedrempel voor verschillende korrelgroottes te voorspellen.

De resultaten van deze studie, zegt Sauret, kunnen het meest direct worden toegepast op het proces van het verwijderen van samenhangende sedimenten, zoals stof en sneeuw, van oppervlakken zoals zonnepanelen. + Verder verkennen

Nanodeeltjes kunnen historische gebouwen redden die gemaakt zijn van poreus gesteente