物理学研究人员发现沙丘可以互相“交流”

时间:2020-02-18 17:57 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

物理学研究人员发现沙丘可以互相“交流”

即使它们是无生命的物体,沙丘也可以“交流”彼此。剑桥大学的一个研究小组发现,当沙丘移动时,它们会与下游的邻居相互作用并将其击退。

通过一个实验沙丘“跑道”,研究人员观察到两个相同的沙丘开始时很近,但随着时间的推移,它们变得越来越远。这种相互作用是由上游沙丘的湍流漩涡控制的,它将下游沙丘推离。发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志上的研究结果,是研究长期沙丘迁移的关键。长期沙丘迁移会威胁航道,加剧荒漠化,并可能掩埋高速公路等基础设施。

物理学研究人员发现沙丘可以互相“交流”

当一堆沙子暴露在风或水流中时,它就形成了沙丘的形状,并开始随着水流向下游移动。无论是在沙漠、河底还是海床上,沙丘很少单独出现,通常成群出现,形成引人注目的图案,被称为沙丘田或走廊。

众所周知,活跃的沙丘会迁移。一般来说,沙丘的速度与大小成反比:小沙丘移动得快,大沙丘移动得慢。目前尚不清楚的是,一个区域内的沙丘是否以及如何相互作用。

利用高速摄像机,研究人员可以在一个圆形水槽实验中跟踪沙丘的移动。资料来源:剑桥大学

“关于沙丘之间的相互作用,有不同的理论:一种是不同大小的沙丘会发生碰撞,并持续碰撞,直到形成一个巨大的沙丘,尽管这种现象在自然界中尚未被观察到。”剑桥大学应用数学和理论物理系的博士研究生、论文的第一作者卡罗尔·巴比克(Karol Bacik)说。“另一个理论是,沙丘可能会发生碰撞和交换质量,有点像台球互相碰撞,直到它们大小相同,移动速度相同,但我们需要通过实验来验证这些理论。”

现在,Bacik和他在剑桥的同事们已经证明了质疑这些解释的结果。我们发现了以前从未作为模型一部分的物理学。领导这项研究的Nathalie Vriend博士说。

环形水槽使研究人员能够研究沙丘的长期运动。资料来源:剑桥大学

大部分沙丘行为的建模工作都是用数字来完成的,但Vriend和她的实验室成员设计并建造了一个独特的实验设施,使他们能够观察沙丘的长期行为。充水流是在实验室环境中研究沙丘运动的常用工具,但沙丘只有到达水槽的末端才能被观察到。相反,剑桥大学的研究人员建造了一个圆形水槽,这样当水槽旋转时,沙丘可以被观察几个小时,同时高速摄像机允许他们跟踪沙丘中单个颗粒的流动。

Bacik最初并没有打算研究两个沙丘之间的相互作用:“起初,我只是为了加快数据收集的速度而将多个沙丘放入容器中,但我们并没有期望看到它们是如何开始相互作用的,”他说。

两个沙丘以相同的体积和形状开始。当水流开始穿过两座沙丘时,它们开始移动。“因为我们知道沙丘的速度与高度有关,所以我们认为两座沙丘会以相同的速度移动。”就职于BP多相流研究所的Vriend说。“然而,这不是我们所观察到的。”

一开始,前沙丘的移动速度比后沙丘快,但随着实验的继续,前沙丘开始减速,直到两个沙丘几乎以相同的速度移动。

至关重要的是,两个沙丘之间的流动模式被观察到是不同的:流动被前面的沙丘偏转,产生“漩涡”在后面的沙丘上,把它推开。“前面的沙丘产生了我们在后面沙丘上看到的湍流模式,”Vriend说。“前沙丘后面的流动结构就像船后的尾流,会影响下一个沙丘的性质。”

随着实验的继续,沙丘之间的距离越来越远,直到它们在圆形水槽的两边形成平衡,彼此之间保持180度的距离。

研究的下一步是利用观测和卫星图像寻找大规模和复杂的沙丘迁移的定量证据。通过对沙丘群的长期跟踪,我们可以观察转移沙丘迁移的措施是否有效。

文献:尾迹引起的水成沙丘的长距离推斥;卡罗尔·a·巴契克、肖恩·洛维特、科尔姆-西尔·p·考尔菲尔德和纳塔莉·m·弗赖恩德,2020年2月4日,《物理评论快报》。

DOI: 10.1103 / PhysRevLett.124.054501

这项研究的部分资金由斯伦贝谢剑桥研究有限公司提供。

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