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Cuando las partículas se mueven – Technology Org

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Los deslizamientos de tierra son un ejemplo notable de erosión. Cuando los enlaces que mantienen unidas las partículas de tierra y roca son superados por la fuerza, a menudo en forma de agua, suficiente para separar la roca y el suelo, esa misma fuerza rompe los enlaces con otras rocas y suelo que los mantienen en su lugar.

Otro tipo de erosión implica el uso de un pequeño chorro de aire para eliminar el polvo de una superficie. Cuando la fuerza del aire turbulento es lo suficientemente fuerte como para romper los enlaces que mantienen juntas las partículas de polvo individuales, o granos, y hacer que se adhieran a la superficie, eso también es erosión.

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Las perlas de vidrio esféricas cubiertas de polímero utilizadas en los experimentos. Los granos en la parte superior tienen una capa muy fina y sin cohesión; los del fondo tienen una capa mucho más gruesa y son cohesivos. Crédito de la imagen: UCSB

En la industria farmacéutica, las dinámicas de cohesión/erosión son fundamentales para procesar polvos para fabricar medicamentos con éxito. También juegan un papel clave en otro ejemplo bastante lejano: aterrizar una nave espacial en una superficie, como la luna. A medida que la nave espacial desciende, el escape de sus motores hace que el material granular de la superficie se erosione y sea transportado. El material desplazado forma un cráter, que debe tener las dimensiones correctas; demasiado angosto o demasiado profundo, y hará que la nave espacial se vuelque.

A menudo nos encontramos con materiales divididos compuestos por pequeñas partículas, como la arena de la playa, el suelo, la nieve y el polvo, que pueden verse afectados por algo más que fuerzas de fricción, compartiendo algunas fuerzas cohesivas adicionales con sus vecinos. Si bien la cohesión actúa solo entre una partícula y sus vecinos inmediatos, también produce efectos macroscópicos, lo que hace que se agreguen fragmentos divididos de material y agreguen resistencia adicional al compuesto. La cohesión es lo que hace que los polvos, como la harina, se aglutinen y nos permite hacer castillos en la playa agregando una pequeña cantidad de agua a la arena seca.

Alban Sauret, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Mecánica de UC Santa Barbara, está muy interesado en estos procesos. Publicado en la revista Physical Review Fluids, su grupo, incluido el doctorado de primer año. El estudiante Ram Sharma y sus colegas en Francia presentan una nueva investigación que examina cómo la cohesión entre partículas puede influir en el inicio de la erosión. Usando una técnica desarrollada recientemente que les permite controlar la cohesión entre los granos del modelo y luego realizando experimentos en los que usaron un chorro de aire para desplazar los granos, pudieron obtener una mejor comprensión de la cohesión, que mantiene unidas a las partículas; la erosión, que hace que se separen; y el transporte, que implica qué tan lejos viajan las partículas desplazadas.

La investigación ofrece un enfoque para cuantificar cómo la magnitud de la cohesión cambia la cantidad de tensión local necesaria para iniciar la erosión. Esta comprensión podría usarse en ingeniería civil para medir la resistencia y la estabilidad del suelo en un área donde se planea la construcción. Pero los investigadores también esperan que su modelo proporcione evidencia empírica para una teoría física de la erosión que incluya la cohesión y sea relevante para una amplia gama de aplicaciones, desde eliminar el polvo de los paneles solares (el polvo puede reducir la producción de energía hasta en un 40%). para aterrizar cohetes en otros planetas.

En presencia de fuerzas externas, como las del viento o el agua, se puede superar la cohesión entre las partículas. El inicio de la erosión se refiere al punto en el que la fuerza de arrastre, ejercida por el fluido o el aire, hace que las partículas pierdan contacto con el lecho granular, separándolas de las vecinas y de la superficie a la que se adhieren. Esto captura nuestra comprensión actual bastante elemental de la erosión: si las fuerzas externas locales sobre una partícula son mayores que las fuerzas que la mantienen en su lugar, se erosiona, otra forma de decir que se desplaza.

A medida que los fluidos o el aire aplican mayores tensiones, como moverse lo suficientemente rápido como para convertirse en flujos turbulentos, pueden causar una mayor erosión. Una gama sumamente amplia de configuraciones de flujo turbulento que actúan sobre una gama igualmente amplia de materiales conducen a la erosión que vemos, a nivel macro, en forma de enormes cañones, desgastados durante eones por ríos turbulentos, y gigantescas dunas de arena, en forma de por corrientes de aire turbulentas. Sorprendentemente, dado que la erosión impulsa el ciclo de los sedimentos y remodela constantemente la superficie de la Tierra, la comprensión actual de las fuerzas de erosión no es adecuada para explicar la rica variedad de accidentes geográficos resultantes.

Mientras que la erosión de granos no cohesivos puede predecirse satisfactoriamente, la interacción entre los flujos turbulentos y la erosión en presencia de cohesión entre partículas no ha sido bien investigada. Pero merece estudio, dice Sauret, porque “¡La cohesión está en todas partes! Si está modelando algo tan simple como, por ejemplo, cómo limpiar una superficie, y su modelo no tiene en cuenta correctamente la cohesión, es probable que termine adoptando un enfoque incorrecto y aún tenga una superficie sucia”.

Para controlar la cohesión entre las partículas, los investigadores aplicaron un recubrimiento de polímero a esferas de vidrio idénticas (análogas a las partículas) con un diámetro de 0,8 milímetros. El grosor del revestimiento podría aumentarse o disminuirse precisamente para aumentar o disminuir la cohesión. El flujo turbulento se modela mediante un chorro de aire variable dirigido al lecho granular.

Los experimentos permitieron al equipo determinar una ley de escala para el umbral en el que la erosión supera la cohesión entre partículas, independientemente de las características específicas del sistema, como el tamaño de las partículas. Al cuantificar la relación entre estas dos fuerzas, la investigación presenta una técnica que puede usarse para predecir el umbral de erosión para diferentes tamaños de granos.

Los resultados de este estudio, dice Sauret, pueden aplicarse más directamente al proceso de eliminación de sedimentos cohesivos, como polvo y nieve, de superficies como paneles solares.

Fuente: UC Santa Barbara






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