Физики объяснили, почему галька легче перемещается потоком воды, чем песок

Ученые из Йельского университета выяснили, как именно поток воды переносит твердые частицы. Используя как численное моделирование, так и теоретические методы, исследователям удалось объяснить давно сбивавшую людей с толку проблему переноса объектов разных размеров. Результаты приняты к публикации в журнале Physical Review Fluid. Ознакомиться со статьей можно на сайте препринтов arXiv.org.

Определение деталей процесса увлечения потоком жидкости твердых частиц затрудняется большим количеством участвующих переменных, среди которых размеры частиц, их несферичность, межчастичное трение и турбулентность жидкости. В таких ситуациях ученые обычно фокусируются на одних аспектах, которые считают более важными, и пренебрегают другими для простоты.

«Ученые традиционно переоценивали роль механики жидкости, а частицы рассматривали как неподвижный слой, — говорит ведущий автор Абрам Кларк. — Наш подход рассматривает проблему по-другому: мы больше внимания уделяем твердой фазе, в особенности движущимся частицам, а жидкость представлена в модели в простом виде. Вместо размышлений на тему "Когда неподвижные частицы начинают двигаться?" мы ставим вопрос "Когда движущиеся частицы остановятся?"».

При движении частицы стремятся попасть в ямы в дне, где окружающие камни помогут им противодействовать силам со стороны жидкости. В новой работе показано, что маленькие песчинки и галька бóльшего размера двигаются принципиально по-разному. Камни ускоряются при отскоках от дна, в то время как песчинки не увеличивают скорость, поэтому мелкие частицы останавливаются намного проще, чем крупные. Остальные факторы, такие как степень турбулентности потока жидкости и другие характеристики твердой фазы, играют второстепенную роль.

Авторы начали с очень простой модели частиц различных размеров, которая в остальном была очень проста: все объекты были сферической формы, трение отсутствовало, поток описывался очень упрощенно. Несмотря на это, результаты моделирования очень хорошо соответствовали данным экспериментов и полевых исследований. «Мы не стали учитывать в модели все физические эффекты сразу, — поясняет Кларк. — Если упростить сложную проблему до одного-двух ингредиентов и при этом получать правильное поведение, то это очень сильный аргумент в пользу определяющей роли этих компонентов в наблюдаемых в природе процессах».