Med ett enklare tillvägagångssätt för ett komplext problem, Yale -forskare har ett svar på varför stora korn rör sig lättare än mindre när de drivs av vätskeflöde längs en flodbotten - en fråga som förvirrat forskare i årtionden.

Mycket av den naturliga världen formas av rinnande vatten som rör sediment, sand, småsten, och andra korn. Att förstå exakt när och varför korn börjar röra sig som svar på komplexa vätskekrafter skulle ha stora tillämpningar inom ekologi, lantbruk, och andra fält.

I forskargruppen till Corey O'Hern, docent i maskinteknik och materialvetenskap, fysik, och tillämpad fysik, forskare utvecklade datasimuleringar för att observera hur korn rör sig och interagerar i ett vätskeflöde över en granulerad bädd - till exempel, en flod som rinner över en bädd av sand eller grus. Deras resultat publiceras den 28 mars Fysisk granskningsvätska .

Att bestämma hur korn transporteras tillsammans med vätskeflödet är extremt komplicerat på grund av de många variablerna som berörs - inklusive kornstorlek, spannmål-friktion, icke-sfärisk kornform, och vätsketurbulens. När man studerar en så komplex process, forskare fokuserar ofta på aspekterna av problemet som de tycker är de viktigaste och förenklar andra aspekter så mycket som möjligt. Mycket av den tidigare forskningen inom detta område har fokuserat på de vätskekrafter som får vilande korn att börja röra sig, men Yale -studien föreslår att mer uppmärksamhet bör fokuseras på vad som händer medan kornen redan är i rörelse.

"Forskare har traditionellt överbetonat vätskemekaniken och behandlat kornen mer som en statisk säng, "sa Yale -forskaren Abram Clark, huvudförfattare till studien. "Vår strategi behandlar problemet med sedimenttransport från andra hållet, fokusera mer på granulatbädden - särskilt rörliga korn - och behandla vätskan på ett enkelt sätt. Istället för att tänka på när statiska korn först kommer att röra sig, vi ställer frågan:När kommer rörliga korn att sluta? "

Korn i rörelse söker i huvudsak efter en stabil "ficka, "eller ett lokalt område på sängytan där grannkorn kan stödja dem mot vätskekrafter. Denna studie använde teoretiska beräkningar och datasimuleringar för att förklara ett mångårigt mysterium om varför stora korn rör sig betydligt lättare än små korn, även efter att ha redogjort för skillnaden i vikt. Forskarna fann att interaktionen mellan korn och vätska får stora korn och små korn att röra sig på fundamentalt olika sätt. Stora korn accelererar när de hoppar längs sängen, medan småkorn inte gör det. Detta tillåter mycket små korn, såsom silt eller fin sand, att sluta mycket lättare än grov sand eller småsten. Alla andra faktorer, såsom graden av vätsketurbulens eller andra egenskaper hos kornen, spela en sekundär roll.

O'Hern-gruppen började med ett modellsystem som inkluderade storleksberoende spannmålsdynamik, men var annars så enkelt som möjligt. Trots att vi började med sfäriska, friktionsfria korn och ett mycket förenklat vätskeflöde, resultaten från datasimuleringarna var mycket nära de som producerades i naturen, som samlats in i mer än 100 års värde av data från experiment och fältstudier. Gruppen utökade simuleringarna genom att variera ytterligare parametrar, såsom friktion av spannmål kornform, och även den matematiska formen av vätske-korn-interaktionerna. Dock, så länge korrekt storleksberoende spannmålsdynamik ingick, resultaten var nästan identiska med de som finns i naturen.

"Vi lägger inte till alla fysiska effekter i en modell på en gång, "sa Clark, en postdoktoral forskningsassistent i O'Herns forskargrupp. Att förenkla modellen till att bara innehålla några få element ger faktiskt forskarna en tydligare bild av de viktigaste ingredienserna. "Om du förenklar ett komplext problem till en eller två ingredienser, och du förutspår fortfarande rätt beteende, det är ett mycket starkt bevis på att dessa ingredienser är ansvariga för det beteende som du ser i naturen. "