Vid jordbearbetning, bladet på jordbearbetningsverktyget skär igenom smutsen, lossa den som förberedelse för sådd. Smutsgranulerna skjuts åt sidan på ett sätt som säkert ser slumpmässigt ut - men kanske inte är det.
Nu, från att studera jordbearbetning, forskare har hittat ett sätt att skilja om en sådan process verkligen är slumpmässig, eller bara verkar så och är faktiskt förutsägbar och deterministisk - vilket kan leda till en djupare förståelse och förmåga att exakt styra processen.
Denna matematiska metod, forskarna säger, kan vara användbart i en rad tillämpningar bortom jord, från torkning och sortering av spannmål till seismologi. De beskriver analysen den här veckan i journalen Kaos .
Under jordbearbetning, jordpartiklar fastnar och gnuggar mot varandra. Dessa interaktioner utsätter granulerna för krafter som oscillerar i styrka. Under vissa förhållanden, dessa fluktuationer kan vara deterministiska, vilket innebär att beräkningar kan förutsäga hur de resulterande krafterna kommer att bete sig vid ett senare tillfälle.
Till exempel, dessa fluktuationer kan likna det oscillerande beteendet hos en låda som sitter på ett transportband medan den är bunden till en fjäder. När transportbandet rör sig, lådan drar iväg, sträcker våren. När fjäderkraften blir större än friktionskraften som håller lådan på plats, lådan glider tillbaka, bara för att dras igen av transportbandet. Denna fram och tillbaka-rörelse-kallad stick-slip-dynamik-förekommer också i interaktionerna mellan korn och andra partiklar, strejkfel som utlöser jordbävningar, och även i friktionen av en geckos fötter.
Stick-slip beteende är deterministiskt, men det kan också vara kaotiskt i vissa fall. En liten förändring i systemets initiala förutsättningar kan leda till väldigt olika utfall.
Men ett sådant kaotiskt beteende verkar ofta slumpmässigt, och att veta om det verkligen är slumpmässigt är viktigt för att förstå systemet.
"Om systemet var deterministiskt kaos, vi kan förvänta oss att börja utveckla en metod för att förutsäga och kontrollera systemets beteende med högre noggrannhet, "sade Kenshi Sakai från Tokyo University of Agriculture and Technology i Japan." Men om systemet var stokastiskt, det enda vi kan göra är att uppskatta sannolikheten för att beteendet inträffar. "
Det finns matematiska verktyg som skiljer deterministiskt kaos, som i stick-slip-modellen, från ren slumpmässighet. Men, Sakai sa, de här verktygen fungerar inte lika bra när statistiskt brus förorenar data – till exempel bullret som är inneboende i den röriga verkligheten med jordbearbetning.
Så forskarna sökte en ny teknik, som de testade på en rad jordbearbetningsexperiment. I experimentet, de använde en enhet utvecklad vid University of California, Davis som mäter krafter när den skär genom jorden. De gjorde dessa mätningar på Yolo lerjord under fyra förhållanden:bearbetad och torr, bearbetad och våt, outfylld och torr, och ofylld och våt.
Genom att analysera data, forskarna beräknade en parameter som kallas den normaliserade deterministiska icke-linjära förutsägelsen (NDNP). Det visar sig att när detta antal är mindre än ett, systemet är slumpmässigt. Men om det är större än en, det är deterministiskt. Endast det fall där jorden var bearbetad och torr var deterministisk. Det bearbetade och våta fodralet var osäkert, med ett NDNP -värde på en.
Dessa resultat visar att NDNP är ett relativt enkelt sätt att avgöra om ett system är deterministiskt, Sa Sakai. En viktig användning skulle vara att analysera seismiska data och, kanske, för att bättre förutse framtida jordbävningar.
