&bala; Física 18, 13
Medições de grãos fluindo em um plano inclinado revelaram princípios gerais que podem ajudar os pesquisadores a modelar deslizamentos de rochas e outros fluxos granulares.
Conhecer a velocidade a que um deslizamento de terra pode ultrapassar uma estrada ou outra infraestrutura pode ajudar os engenheiros a prever os danos potenciais e a escolher possíveis contramedidas. Uma forma de estimar a velocidade do deslizamento é estudar o fluxo de areia ou outro materials granular ao longo de um plano inclinado, mas os modelos empíricos resultantes não forneceram previsões que correspondam de forma confiável aos dados experimentais. Um novo estudo de fluxos granulares inclinados resolveu este problema, contabilizando os efeitos de grãos de formato irregular (1). Os pesquisadores desenvolveram um modelo que prevê com precisão a velocidade do fluxo para uma variedade de materiais granulares.
A velocidade de um fluxo granular depende de vários fatores: o tipo de grãos, o ângulo de inclinação, a distância de deslizamento e a espessura (ou profundidade) do materials que flui. Trabalhos anteriores descobriram que fluxos mais espessos atingiam velocidades mais elevadas, e os investigadores desenvolveram “regras de fluxo” que levam em conta esta e outras tendências. No entanto, alguns experimentos encontraram velocidades mais lentas do que o previsto para os fluxos mais espessos. “Esses resultados sugerem que algo estranho está acontecendo em fluxos de grande espessura”, diz Thomas Pähtz, da Universidade de Zhejiang, na China. Ele e seus colegas decidiram descobrir o que estava por trás desse comportamento estranho.
A equipe realizou experimentos com uma variedade de grãos (esferas de quartzo, areias naturais e misturas industriais) com aproximadamente 400 µm de diâmetro. Para cada ensaio, os grãos selecionados foram colocados em uma moega no topo de uma tábua de 1,7 m de comprimento que podia ser inclinada em vários ângulos. A porta da moega foi aberta até uma certa altura, criando um fluxo com espessura entre cerca de 2,7 mm e 2,5 cm. Para capturar a velocidade do fluxo, os pesquisadores colocaram uma câmera em três locais a jusante (0,95, 1,3 e 1,7 m).
Y. Wu/Universidade de Zhejiang
A equipe percebeu que trabalhos anteriores haviam assumido erroneamente que os fluxos estavam “totalmente desenvolvidos”, o que significa que haviam atingido uma velocidade ultimate (constante). Esta suposição parecia justificada, uma vez que os grãos esféricos atingem a velocidade ultimate numa distância de deslizamento relativamente curta. Mas Pähtz e colegas descobriram que quando os grãos têm formas não esféricas, pode levar muito mais tempo para acelerarem até ao estado totalmente desenvolvido.
Para interpretar os seus dados, os investigadores criaram uma expressão para a velocidade do fluxo, mostrando que esta aumenta com a distância ao longo da inclinação. Esta expressão depende do ângulo de inclinação, da espessura do fluxo e do coeficiente de atrito dinâmico, que descreve a resistência de um materials granular ao fluxo. Os modelos anteriores de velocidade de fluxo incluíam um parâmetro adicional relacionado ao atrito, caracterizado por uma espessura limite abaixo da qual os grãos paravam de fluir. “Na física, como regra geral, quanto menos parâmetros um modelo preditivo tiver, melhor ele será”, diz Pähtz.
A simplicidade do modelo da equipe sugere que o comportamento do fluxo granular é mais common do que se pensava anteriormente. Por exemplo, pode-se ter dois materiais muito diferentes – um com grãos ásperos e redondos e o outro com grãos lisos e quadrados – mas os seus coeficientes de atrito dinâmico podem ser os mesmos e, portanto, devem ter velocidades de fluxo semelhantes. Nos modelos anteriores, as previsões eram mais específicas para cada tipo de grão porque incluíam o outro parâmetro de atrito. Pähtz diz que são necessários mais trabalhos para entender por que esse comportamento common ocorre. Uma compreensão tão mais profunda poderia ajudar a orientar as previsões para fluxos mais complexos, como deslizamentos de terra e avalanches, diz Pähtz.
Michel Louge, especialista em engenharia mecânica da Universidade Cornell, diz que as experiências de Pähtz e colegas complementam estudos anteriores ao analisar uma gama mais ampla de parâmetros. Ele salienta, no entanto, que será difícil extrapolar os resultados para deslizamentos de terra, que são muitas vezes complicados pela propagação lateral irrestrita e pela presença de água. No entanto, Tamas Börzsönyi, investigador de materiais granulares da Academia Húngara de Ciências, afirma que “o modelo apresentado é um passo muito útil na compreensão dos fluxos granulares”. Ele diz que os materiais granulares “repetidamente trazem surpresas”, portanto, melhorar sua descrição matemática poderia ter um benefício tanto na previsão de eventos geológicos quanto na otimização de processos industriais.
–Michael Schirber
Michael Schirber é editor correspondente da Revista Física com sede em Lyon, França.
Referências
- Y. Wu e outros.“Regra de fluxo unificada de fluxos granulares densos não desenvolvidos e totalmente desenvolvidos em declives acidentados,” Física. Rev. 134028201 (2025).
