Jordskred är ett slående exempel på erosion. När bindningarna som håller ihop partiklar av smuts och sten överväldigas av en kraft - ofta i form av vatten - som är tillräcklig för att dra isär stenen och jorden, bryter samma kraft bindningarna med annan sten och jord som håller dem på plats. En annan typ av erosion innebär att man använder en liten luftstråle för att avlägsna damm från en yta. När kraften från den turbulenta luften är tillräckligt stark för att bryta bindningarna som håller de enskilda dammpartiklarna, eller kornen, samman och får dem att fastna på ytan, är det också erosion.

Inom läkemedelsindustrin är sammanhållnings-/erosionsdynamiken oerhört viktig för att framgångsrikt bearbeta pulver för att göra läkemedel. De spelar också en nyckelroll i ett annat, ganska långt borta, exempel:att landa ett rymdskepp på en yta, som till exempel månen. När rymdfarkosten sänks, gör avgaserna från dess motorer att det granulära materialet på ytan eroderar och transporteras. Det förskjutna materialet bildar en krater, som måste ha rätt dimensioner; för smal eller för djup, och det kommer att få rymdfarkosten att välta.

Vi möter ofta delade material som är sammansatta av små partiklar – tänk sand på stranden, jord, snö och damm – som kan påverkas av mer än bara friktionskrafter, som delar några ytterligare sammanhållningskrafter med sina grannar. Även om sammanhållning endast verkar mellan en partikel och dess omedelbara grannar, ger den också makroskopiska effekter; till exempel orsakar delade materialbitar att aggregera och tillför ytterligare styrka till kompositen. Sammanhållningen är det som får pulver, som mjöl, att klumpa ihop sig och gör det möjligt för oss att göra slott på stranden genom att tillsätta en liten mängd vatten till torr sand.

Alban Sauret, docent vid UC Santa Barbara Mechanical Engineering Department, är mycket intresserad av dessa processer. Publicerad i tidskriften Physical Review Fluids , hans grupp, inklusive förstaårs Ph.D. Student Ram Sharma och kollegor i Frankrike, presenterar ny forskning som undersöker hur kohesion mellan partiklar kan påverka uppkomsten av erosion. Genom att använda en nyligen utvecklad teknik som låter dem kontrollera kohesionen mellan modellkorn och sedan köra experiment där de använde en luftstråle för att tränga undan kornen, kunde de få en bättre förståelse för kohesion, som håller ihop partiklar; erosion, vilket får dem att separera; och transport, vilket handlar om hur långt de undanträngda partiklarna sedan färdas.

Forskningen erbjuder ett tillvägagångssätt för att kvantifiera hur omfattningen av sammanhållningen förändrar mängden lokal stress som behövs för att starta erosion. Denna förståelse skulle kunna användas inom civilingenjör, säg, för att mäta styrkan och stabiliteten hos mark i ett område där byggnation planeras. Men forskarna hoppas också att deras modell kommer att ge empiriska bevis för en fysisk teori om erosion som inkluderar sammanhållning och är relevant för ett brett spektrum av tillämpningar, från att ta bort damm från solpaneler (damm kan minska energiproduktionen med så mycket som 40 %) att landa raketer på andra planeter.

I närvaro av yttre krafter, såsom från vind eller vatten, kan sammanhållningen mellan partiklar övervinnas. Uppkomsten av erosionen hänvisar till den punkt vid vilken dragkraften, utövad av vätska eller luft, gör att partiklar tappar kontakt med den granulära bädden och blir separerade både från varandra som grannar och från ytan till vilken de fäster. Detta fångar vår ganska elementära, nuvarande förståelse av erosion:om lokala yttre krafter på en partikel är större än de krafter som håller den på plats, eroderar den – ett annat sätt att säga att den är förskjuten.

Eftersom vätskor eller luft utsätter större spänningar, till exempel genom att röra sig tillräckligt snabbt för att bli turbulenta flöden, kan de orsaka större erosion. Ett utomordentligt brett utbud av turbulenta flödeskonfigurationer som verkar på ett lika brett spektrum av material leder till den erosion vi ser på makronivå i form av enorma kanjoner, nedslitna över eoner av turbulenta floder, och gigantiska sanddyner, formade av turbulenta luftströmmar. Överraskande nog, med tanke på att erosion driver sedimentcykeln och ständigt omformar jordens yta, är den nuvarande förståelsen av erosionskrafter inte tillräcklig för att förklara den rika variationen av resulterande landformer.

Även om erosion av icke-kohesiva korn kan förutsägas på ett tillfredsställande sätt, har samspelet mellan turbulenta flöden och erosion i närvaro av inter-partikelkohesion inte undersökts väl. Men det förtjänar studier, säger Sauret, eftersom "sammanhållning finns överallt! Om du till exempel modellerar något så enkelt som hur man rengör en yta, och din modell inte korrekt tar hänsyn till sammanhållningen, kommer du sannolikt att ta ett felaktigt tillvägagångssätt. —och fortfarande ha en smutsig yta."

För att kontrollera sammanhållningen mellan partiklar applicerade forskarna en polymerbeläggning på identiska glaskulor (analogt för partiklar) med en diameter på 0,8 millimeter. Tjockleken på beläggningen kan ökas eller minskas exakt för att öka eller minska kohesionen. Det turbulenta flödet modelleras av en variabel luftstråle riktad mot den granulära bädden.

Experimenten gjorde det möjligt för teamet att bestämma en skalningslag för tröskeln vid vilken erosion övervinner sammanhållning mellan partiklar, oavsett systemets särdrag, såsom partikelstorlek. Genom att kvantifiera förhållandet mellan dessa två krafter presenterar forskningen en teknik som kan användas för att förutsäga erosionströskeln för olika storlekar av korn.

Resultaten av denna studie, säger Sauret, kan mest direkt tillämpas på processen att ta bort sammanhängande sediment, såsom damm och snö, från ytor som solpaneler. + Utforska vidare

Nanopartiklar kan rädda historiska byggnader gjorda av poröst berg