Cooperación entre dos intrusos que se mueven uno al lado del otro en medios granulares

En colonias de aves, bancos de peces y pelotones ciclistas, se producen interacciones significativas entre individuos a través del fluido circundante. Estas interacciones se comprenden bien en fluidos como el aire y el agua, pero ¿qué sucede cuando los objetos se mueven a través de algo como la arena? Resulta que se producen interacciones similares en materiales granulares (como el suelo o la arena) y desempeñan un papel crucial en los contextos cotidianos. Piense en arados que atraviesan tierras de cultivo, animales que excavan bajo tierra, raíces que atraviesan el suelo o incluso robots que exploran la superficie de Marte.

Recientemente, nos topamos con un descubrimiento fascinante: cuando dos objetos, lo que llamamos «intrusos», se mueven uno al lado del otro a través de materiales granulares, en realidad pueden ayudarse mutuamente reduciendo la resistencia que enfrentan. Este efecto cooperativo fue descubierto por un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Campinas (Unicamp) en Brasil, y del laboratorio FAST, CNRS, de la Universidad Paris-Saclay en Francia.

Para investigar esto, organizamos un experimento utilizando objetos esféricos sumergidos en cuentas de vidrio para replicar un medio granular. El objetivo era tirar de estos objetos a una velocidad constante y medir la fuerza de arrastre que experimentaban mientras se movían a través de los granos. Si bien estudios anteriores habían analizado las fuerzas laterales entre objetos, nuestro equipo se preguntó si moverse juntos también podría reducir la fuerza de arrastre.

Algunas simulaciones numéricas intrigantes realizadas por dos de nuestros investigadores de la UNICAMP, DD Carvalho y EM Franklin, publicado en el Física de fluidos en 2022, sugirió que sí podría, pero queríamos probarlo en el mundo real.

Lo que encontramos fue emocionante: cuando los dos intrusos estaban muy juntos, la resistencia sobre cada uno de ellos se redujo significativamente, hasta en un 30% en comparación con cuando estaban más separados. Y cuanto más profundamente estaban enterrados en el material, más pronunciado se volvía este efecto. ¿La explicación? Cuando dos objetos se mueven uno al lado del otro, el movimiento de uno interrumpe las cadenas de fuerza entre los granos alrededor del otro. Esta ruptura en el contacto del grano reduce la resistencia general que encuentra cada objeto.

Más allá de simplemente observar este efecto, también desarrollamos un modelo semiempírico para describirlo. El modelo se basa en la idea de que las interacciones entre objetos muy cercanos interrumpen estas cadenas de fuerza granulares, lo que les facilita el movimiento. Este estudio, ahora publicado en Fluidos de revisión físicadestaca un aspecto previamente poco explorado de la dinámica granular: el movimiento cooperativo de múltiples objetos.

A medida que avanza la investigación sobre esta dinámica, puede conducir a nuevas tecnologías y técnicas para navegar materiales granulares, en la Tierra y más allá, lo que potencialmente permitirá soluciones más eficientes para diversas industrias y esfuerzos científicos.

Esta historia es parte de Diálogo Ciencia Xdonde los investigadores pueden informar los resultados de sus artículos de investigación publicados. Visita esta pagina para obtener información sobre Science X Dialog y cómo participar.

Douglas De Carvalho es estudiante de doctorado en la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Campinas (UNICAMP), en Brasil, y realiza simulaciones numéricas y experimentos en sistemas granulares. Realizó los experimentos presentados en este artículo. Este trabajo fue supervisado por Baptiste Darbois Texier, investigador en el laboratorio Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques (FAST) de la Universidad Paris-Saclay. Su investigación se centra en la mecánica de medios granulares y en particular en la reología de estos materiales y los problemas de locomoción en este contexto.