Adopter une approche plus simple d'un problème complexe, Les chercheurs de Yale ont une réponse pour expliquer pourquoi les gros grains se déplacent plus facilement que les plus petits lorsqu'ils sont entraînés par l'écoulement de fluide le long d'une rivière, une question qui a confondu les scientifiques pendant des décennies.

Une grande partie du monde naturel est façonnée par l'eau qui coule qui déplace les sédiments, sable, cailloux, et autres céréales. Comprendre exactement quand et pourquoi les grains commencent à se déplacer en réponse à des forces fluides complexes aurait des applications majeures en écologie, agriculture, et d'autres domaines.

Dans le groupe de recherche de Corey O'Hern, professeur agrégé de génie mécanique et science des matériaux, la physique, et physique appliquée, les chercheurs ont développé des simulations informatiques pour observer comment les grains se déplacent et interagissent dans un écoulement de fluide sur un lit granulaire, par exemple, une rivière coulant sur un lit de sable ou de gravier. Leurs résultats sont publiés le 28 mars dans Fluide d'examen physique .

Déterminer comment les grains sont transportés avec le flux de fluide est extrêmement compliqué en raison des nombreuses variables impliquées, y compris la taille des grains, frottement grain-grain, forme de grain non sphérique, et la turbulence des fluides. Lors de l'étude d'un processus aussi complexe, les scientifiques se concentrent souvent sur les aspects du problème qu'ils jugent les plus importants et simplifient les autres aspects autant que possible. Une grande partie des recherches antérieures dans ce domaine se sont concentrées sur les forces fluides qui provoquent le démarrage des grains au repos, mais l'étude de Yale suggère qu'une plus grande attention devrait être portée sur ce qui se passe alors que les grains sont déjà en mouvement.

"Les chercheurs ont traditionnellement trop insisté sur la mécanique des fluides et traité les grains plus comme un lit statique, " a déclaré Abram Clark, chercheur à Yale, auteur principal de l'étude. "Notre approche considère le problème du transport des sédiments dans l'autre sens, se concentrer davantage sur le lit granulaire - en particulier les grains en mouvement - et traiter le fluide de manière simple. Au lieu de penser à quand les grains statiques commenceront à bouger, nous posons la question :quand le déplacement des grains s'arrêtera-t-il ?

Les grains en mouvement sont essentiellement à la recherche d'une "poche stable, " ou une région locale de la surface du lit où les grains voisins peuvent les soutenir contre les forces fluides. Cette étude a utilisé des calculs théoriques et des simulations informatiques pour expliquer un mystère de longue date de pourquoi les gros grains se déplacent beaucoup plus facilement que les petits grains, même après avoir tenu compte de la différence de poids. Les chercheurs ont découvert que l'interaction entre les grains et le fluide fait que les gros grains et les petits grains se déplacent de manières fondamentalement différentes. Les gros grains accélèrent en sautillant le long du lit, contrairement aux petits grains. Cela permet de très petits grains, comme le limon ou le sable fin, s'arrêter beaucoup plus facilement que du sable grossier ou des cailloux. Tous les autres facteurs, tels que le degré de turbulence du fluide ou d'autres caractéristiques des grains, jouer un rôle secondaire.

Le groupe O'Hern a commencé avec un système de modèle qui comprenait la dynamique des grains dépendant de la taille, mais était autrement aussi simple que possible. Bien que commençant par sphérique, des grains sans frottement et un écoulement fluide grandement simplifié, les résultats des simulations informatiques étaient très proches de ceux produits dans la nature, tel que collecté dans plus de 100 ans de données provenant d'expériences et d'études sur le terrain. Le groupe a étendu les simulations en faisant varier des paramètres supplémentaires tels que le frottement grain-grain, forme des grains, et même la forme mathématique des interactions fluide-grain. Cependant, tant que la dynamique de grain dépendant de la taille correcte a été incluse, les résultats étaient presque identiques à ceux trouvés dans la nature.

"Nous n'ajoutons pas tous les effets physiques dans un modèle à la fois, " dit Clark, un associé de recherche postdoctoral dans le groupe de recherche d'O'Hern. Simplifier le modèle pour n'inclure que quelques éléments donne en fait aux chercheurs une image plus claire des ingrédients les plus importants. "Si vous simplifiez un problème complexe à un ou deux ingrédients, et vous prédisez toujours le comportement correct, c'est une preuve très solide que ces ingrédients sont responsables du comportement que vous observez dans la nature."