Vórtices “ocultos” podem influenciar a forma como o solo e a neve se movem

Cientistas descobriram que redemoinhos e loops de movimento em materiais como solo e neve podem influenciar a forma como os materiais se movem. Esse conhecimento pode ser inestimável para compreender como avalanches e deslizamentos de terra na Terra e em Marte aceleram ou desaceleram. Compreender esse fenómeno também pode beneficiar várias indústrias, desde a construção até a operação de silos durante o enchimento e descarga de grãos.

Assim como os átomos em um rio, quando as partículas se movem na neve ou no solo, elas nem sempre seguem o caminho de suas vizinhas. Há muito tempo, os pesquisadores teorizam que, sob a superfície desses materiais, existem correntes e redemoinhos ocultos que podem afetar o poder destrutivo das avalanches e deslizamentos de terra.

Chamado de “fluxo secundário”, o processo nunca foi observado sob a superfície, pois não era possível ver através dos materiais enquanto eles fluíam.

Uma equipa internacional de cientistas liderada pela Universidade de Sydney conseguiu agora mapear e capturar este fenómeno pela primeira vez no interior da massa de grãos em fluxo. Isto foi conseguido utilizando o DynamiX, uma tecnologia única de radiação de raios X criada pelos cientistas para revelar a existência do fluxo secundário.

Os cientistas utilizaram um sistema simultâneo de raios X tridirecional para observar em tempo real o interior das massas de solo em movimento. Foram desenvolvidos algoritmos especialmente concebidos para processar os dados e mapear o movimento.

As descobertas, publicadas na revista Nature Communications, constituem um marco no campo da física granular.

“Os materiais granulares estão em toda parte. É importante compreender a física de como eles fluem e interagem: desde minúsculos grãos de areia ou neve, ou mesmo pedaços de rochas no processamento de minerais, os materiais granulares podem se comportar como sólidos e fluir como fluidos, como durante deslizamentos de terra ou quando descarregamos silos”, diz o investigador sênior Professor Itai Einav, da Escola de Engenharia Civil da Faculdade de Engenharia da Universidade.

“A existência do fluxo secundário tem sido uma teoria duradoura na física granular, mas nunca foi confirmada em 3D e em tempo real. Descobrir o fluxo secundário e compreender como ele influencia o movimento dos meios granulares abrirá novas possibilidades para a indústria e a investigação”, afirma o professor Einav, que também é diretor do Centro de Geomecânica e Materiais Mineiros de Sydney (SciGEM).

Tecnologia desenvolvida internamente resolve um mistério que durou quase uma década

Por trás de uma imensa porta revestida de chumbo, num canto tranquilo da Escola de Engenharia Civil, encontra-se um instrumento personalizado para analisar a física granular, que desempenhou um papel fundamental na confirmação do fluxo granular secundário.

“Estávamos determinados a compreender o fluxo rápido de meios granulares, mas não havia nenhum equipamento disponível no mercado, por isso decidimos construí-lo nós mesmos”, explica o professor Einav.

O DynamiX foi construído ao longo de cinco anos, mas a ideia surgiu na equipa do professor Einav há quase uma década.

Um conjunto de três tubos de raios X perpendiculares e detetores montados numa estrutura modular permite posicionar os pares de raios X para examinar qualquer recipiente de grãos que seja transparente à radiografia de raios X.

Com o DynamiX, a equipa pode estudar quase qualquer tipo de material misto em fluxo, desde contas de vidro, solo a espumas, molhadas ou secas.

Para a experiência, a equipa utilizou uma correia transportadora para empurrar uma pilha de esferas de vidro contra uma parede, observando como se formavam saliências e depressões na superfície.

A porta revestida de chumbo protege os investigadores da radiação emitida pelos três poderosos pares de tubos de raios X e detetores da DynamiX, que apontavam para o recipiente de partículas, para revelar os movimentos ocultos no interior do material.

Observando a partir de uma sala de controlo, os investigadores viram os grãos rodopiarem e rolarem em padrões 3D complexos sob a superfície do fluxo.

O professor Einav acredita que o DynamiX é o único instrumento do género para estudar fluxos granulares em tempo real e em 3D.

“O próximo mistério a resolver é a origem do fluxo secundário e se a sua força é influenciada pelas propriedades do material em fluxo. O nosso objetivo é desenvolver modelos que possam explicar estas questões matematicamente”, sublinha.

O primeiro autor, Andres-Felipe Escobar-Rincon, diz que a equipa inicialmente queria estudar como os fluxos granulares (como avalanches ou deslizamentos de terra) se comportam quando atingem um obstáculo, como um muro de contenção.

“No entanto, assim que notámos variações na superfície e examinámos as suas velocidades internas com raios X, percebemos que estávamos a observar interações complexas que ocorrem para além das avalanches e deslizamentos de terra”, afirma Escobar-Rincon.

“Agora estamos curiosos para saber o que os impulsiona”, conclui.