Fisica che galleggia nel fiume: quando la rete rimane intrappolata in un circolo vizioso

Nei vasi sanguigni, nelle vene delle foglie e nei sistemi fluviali i fisici vedono le cosiddette reti di trasporto. In quali condizioni queste reti creano circuiti che rendono l’intero sistema resistente ai danni? Questo è ciò che ha descritto, tra gli altri, il team dell’Università di Varsavia.

Si scopre che la griglia delle reti non è uniforme. “Le strutture ad albero sono efficienti per il trasporto, ma le reti ad anelli sono più resistenti ai danni”, spiega il professore. Piotr Szymczak della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia è un coautore del lavoro. “Il nostro obiettivo a lungo termine è determinare le condizioni necessarie affinché i loop appaiano nelle reti in evoluzione”.

Risultati della ricerca, pubblicati in “Lettere di revisione fisica”, È dimostrato che le reti tendono a formare strutture ad anello stabili con un adeguato livello di fluttuazioni di flusso. Questa scoperta ci permetterà di comprendere meglio la struttura delle reti dinamiche di trasporto – lo leggiamo in un comunicato stampa della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia.

Anche formazioni apparentemente simili, come i delta dei fiumi, possono avere forme diverse. La foce del fiume da Wax Lake, Louisiana, USA, all’Oceano Atlantico sembra ramificarsi come un albero, con rami più piccoli che raggiungono l’oceano. Al contrario, il delta del Gange-Brahmaputra in Bangladesh ha un estuario ricco di anelli e piccole isole con numerosi canali che collegano i rami principali del fiume.

(a) Rete di canali alimentari e vasi sanguigni della medusa Aurelia aurita (medusa) che distribuisce i nutrienti ai suoi tessuti. Nuovi canali compaiono sul bordo esterno della medusa, crescono verso il suo stomaco al centro e si riconnettono con le parti esistenti della rete, creando più anelli. (Fonte: Stanislaw Zhukovsky, Facoltà di Fisica, Università di Varsavia e Laboratori di Materiali e Sistemi, Università della Città di Parigi). (b) I vasi sanguigni nella retina umana formano una fitta rete in cui i vasi adiacenti hanno molte connessioni, dando luogo a numerosi anelli. (Fonte: Dott. Graeme Birdsey e Professoressa Anna M Randi, Imperial College di Londra)

Ciò che distingue questi due sistemi è la quantità di fluttuazioni del flusso, che sono formate dal deflusso dell’acqua e dalle maree oceaniche, che a volte possono cambiare direzione in direzione opposta.

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L’anello e l’albero

La questione di quali condizioni ambientali potrebbero favorire la formazione di anelli piuttosto che di strutture ad albero ha ispirato gli scienziati della Scuola di fisica dell’Università di Varsavia e dell’Università dell’Arkansas negli Stati Uniti a studiare la stabilità degli anelli nelle reti di flusso.

I risultati della ricerca mostrano che le reti tendono a formare strutture ad anello stabili quando le fluttuazioni del flusso sono adeguatamente regolate.

Nella pubblicazione, gli scienziati le chiamano “fluttuazioni di Riccioli d’oro”. Questo è un riferimento alla fiaba di una ragazza che venne nella casa di tre orsi e cercò di sedersi su tre sedie, mangiare tre fiocchi d’avena e sdraiarsi su tre letti, ma ogni volta solo uno di loro era perfetto per lei. Lo stesso vale per le fluttuazioni: non è sufficiente che si verifichino nella rete di trasporto perché si creino dei circuiti. Il livello di volatilità deve essere “giusto”.

“Le reti fluviali possono apparire molto diverse a seconda del fiume e del mare: i dati geospaziali ci forniscono prove visive delle forme mutevoli dei delta dei fiumi e, ottenendo nuovi dati sulle caratteristiche del flusso, possiamo imparare di più sulle dinamiche del loro sviluppo, soprattutto attraverso le epoche.” Un clima in rapido cambiamento”, aggiunge il prof. John Shaw dell’Università dell’Arkansas, che ha trascorso quasi un anno all’Università di Varsavia grazie a una borsa di studio della Fondazione Fulbright. Questa pubblicazione è nata da una combinazione di osservazioni geologiche, equazioni sedimentarie e metodi matematici di fisica.

Fiumi e compagnia

“La nostra collaborazione è iniziata con i fiumi, ma le conclusioni erano più generali e applicabili a una classe molto ampia di reti di trasporto”, afferma Radost Waskiewicz, autore principale del lavoro e studente di dottorato presso la Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia.

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Gli scienziati hanno scoperto che la stabilità dei circuiti nelle reti dipende dall’interazione tra la geometria dei canali nel sistema e le fluttuazioni del flusso. Sottolineano che i circuiti richiedono fluttuazioni nella quantità relativa di flusso tra i nodi della rete, non solo cambiamenti nel flusso in un singolo nodo, e che i circuiti sono più stabili quando le fluttuazioni non sono né troppo piccole né troppo grandi per una componente di flusso costante.

“Se la natura delle fluttuazioni cambia a causa di fattori esterni, come l’intervento umano o il cambiamento climatico, nuovi circuiti potrebbero apparire o scomparire all’interno delle reti di trasporto, modificando la forma della rete – conclude il Prof. Maciej Lisicki della Facoltà di Fisica dell’Università di Varsavia – Ci auguriamo che questa osservazione porti a misurazioni più accurate dei sistemi di trasporto in natura e ci porti un altro passo avanti nella comprensione della ricostruzione dinamica delle reti di trasporto.

La scienza in Polonia

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