Rangos nemzetközi folyóiratban jelent meg műegyetemi szakemberek és külföldi tudósok közös publikációja a hordalékszemcsék kopásának törvényszerűségeiről.

„Sok éve tartó és számos publikációt eredményező kutatásaink összefoglalása ez a cikk, ugyanakkor túl is mutat ezeken” – hangsúlyozta a bme.hu kérdésére Domokos Gábor, az MTA-BME Morfodinamika Kutatócsoport vezetője, az Építészmérnöki Kar Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék egyetemi tanára, aki magyar, olasz és amerikai kollégáival a rangos Science Advances folyóiratban közölte vizsgálódásait „Universal characteristics of particle shape evolution by bed-load chipping” (A szállított hordalékrészecskék alakfejlődésének általános jellemzői) címmel.

A most feltárt forma-evolúciós modell univerzálisan érvényes

A műegyetemi oktató hozzáfűzte: „a tanulmány jelentősége abban áll, hogy benne a hordalékrészecskék alakfejlődéséről egy matematikai alapon álló, ugyanakkor nagyon széles kísérleti adathalmazzal igazolt univerzális modellt mutatunk be. Ugyanezen modell azonban nagyobb léptékben is érvényes, hiszen ezt használtuk az aszterodiák alakjának leírására is.”

Jelen dolgozatban a kutatók a folyók, a szél vagy a tengeri hullámok által mozgatott, egymáshoz és a talajhoz ütközőszállított részecskék (kavicsok, homokszemek) kopásának általános szabályait tárták fel. (A munka egyik korábbi fázisáról a bme.hu is beszámolt – szerk.) A most megjelent tanulmány az egyik leggyakrabban vizsgált alakjellemző, a részecske lekerekítettségét mérő izoperimetrikus arány időfejlődésére vonatkozó matematikai eredményeket igazolta számítógépes szimulációkon, laboratóriumi kísérleteken és terepen végzett méréseken keresztül. A cikk kitér arra, hogy a fenti univerzális viselkedést három lényeges feltétel mellett figyelhetjük meg és ezen feltételek a geofizikai alakfejlődési folyamatok egy széles osztályára teljesülnek. Az első feltétel, hogy a folyamat kezdetét jelentő törmelék (fragmens) részecskék enyhén elnyúlt poliéderek legyenek. A második feltétel, hogy az ütközések többnyire hasonló méretű részecskék között jöjjenek létre, a harmadik feltétel pedig, hogy az átlagos részecske mozgási energiája ne legyen elég nagy ahhoz, hogy a részecske tovább fragmentálódjék, de elég nagy legyen a részecskékkel történő ütközéshez. „A nagyon alacsony mozgási energiájú tartományban alig történik kopás, a magas energiatartományban végbemenő ütközések során viszont gyakran szétrepednek a kövek” – magyarázta a kutató, hozzátéve, hogy a publikációban bemutatott modell a széles, középső energia-tartományra vonatkozik. „Ha nem repednek szét a kavicsok, hanem a szél, víz hatására mozognak egy kicsit, ez a közepes energiasávban végbemenő ún. ütközéses kopás. Elméletünk ennek törvényszerűségeit magyarázza a geofizikai szempontból legtágabban értelmezhető összes környezetben, akár egy másik bolygón is” – utalt a vizsgálódások lehetséges gyakorlati eredményére a kutató.

Domokos Gábor hangsúlyozta, „a Gömböc felfedezése irányította a figyelmünket egy geometriai forma és az egyik, a formát jellemző mennyiség között fellelhető szoros kapcsolatra, ami ez esetben az egyensúlyi helyzetek száma volt.” Ez a felismerés segített a formafejlődés matematikai modelljeinek megkeresésében.

Az elmélet igazolásához rendkívüli mennyiségű és minőségű mérésre volt szükség. Az egyik terepen végzett munka során Novák-Szabó Tímea, az Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék tanársegéde, a cikk társszerzője Puerto Ricóban vett részt egy folyó hordalékát kutató, több hétig tartó nemzetközi expedícióban. Az amerikai geológusok évek óta dolgoztak ott: kiváló helyismerttel rendelkeztek, de az ott mért adatok egy részét, megfelelő matematikai modell hiányában nem tudták értelmezni. „Hogy milyen nehézségekkel kellett megküzdeni az úton, arra a legjobb példa, hogy egy alkalommal az őserdőben Tímea nyakába esett egy leguán” – avatott be a cikk megszületését megelőző nem mindennapi kihívásokba Domokos Gábor.

A tanulmány olasz társszerzőiről szólva a műegyetemi szakember elmondta: nagyon sajátos kutatásba kezdtek; a pisai tengerparton háromszáz kavicsba rádióadót ültettek és egy évig nyomon követték a parton zajló mozgásukat, majd megfigyelték a kopás által elnyert új alakjukat. „Munkájukat a nagyon magas színvonalú méréstechnológia jellemzi, de mivel korábban matematikai modellezéssel nem foglalkoztak, a saját tudásunkat ötvöztük az övékével” – emlékezett Domokos Gábor, hozzátéve, hogy akkoriban óriási viharok voltak télen azon a vidéken, ezért viszonylag kevés rádiós kavicsot tudtak újra begyűjteni. Csak ez az egy megfigyelés-sorozat másfél évig tartott. Kiemelte: „különösen Duccio Bertoni, Alessandro Pozzebon és Edoardo Grottoli végzett – fizikailag is – emberfeletti munkát, hiszen a kavicsok megtalálása és kihalászása nem volt egyszerű feladat. A begyűjtött kavicsokon történt vizsgálatokhoz viszont szükséges volt magyar kollégáik tudása is, így Tímeának ezúttal is a helyszínre kellett utaznia.”

A magyar kutató úgy vélte,a szakterületen alkalmazható mérési eljárások csúcsteljesítményét valósították meg, de a munka nem maradt annyiban:az olasz szakemberekkel továbbra is együttműködnek és új projekteket terveznek.

A cikkhez szükséges legmodernebb geofizikai tudást a nemzetközi hírű Douglas Jerolmack, a University of Pennsylvania geofizikai laboratóriumának vezetője biztosította. Az amerikai szakember már több korábbi kutatás során együttműködött a magyar kollégákkal, amelyek főként a marsi kavicsok alakfejlődését vizsgálták. (A projektről a bme.hu is beszámolt – szerk.)

„Az elmúlt években különleges számítógépes modellépítés alapjait fektette le Sipos András Árpád, az Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék docense, a cikk társszerzője” – nyomatékosította Domokos Gábor, hozzátéve: „tudomásom szerint jelenleg más kutatócsoportnak nincs ilyen típusú modellező rendszere: a képernyőn, szinte valós időben képesek vagyunk a kavics lekoptatására, esetlegesen töréseket is szimulálhatunk, majd az eredményeket a kísérleti adatokkal össze tudjuk vetni.”

A kutató kiemelte, az MTA-BME Morfodinamikai Kutatócsoportjának az Szilárdságtani Tanszék Czakó Adolf laboratóriumán belül működő kísérleti részlege világviszonylatban is versenyképes eszközökkel és gyakorlati ismeretekkel rendelkezik.. A labor két technikusa, Halmos Krisztián és Sebestyén Ottó – bár nem szerzői a tanulmányoknak – hatalmas segítséget jelentettek az elmúlt években. „Nélkülük nem lennének kísérleteink” – emelte ki Domokos Gábor, hozzátéve, „évekig küzdöttünk a műegyetemi és külföldi kollégákkal míg a puzzle utolsó darabja is a helyére került. Az elméletünk teljessé vált és használható eszköz lesz a geofizikai kutatások legszélesebb területén. Az MTA-BME Morfodinamika kutatócsoport jelenleg is számos izgalmas kérdésen dolgozik, így például a természetes fragmensek formáját kutatják és azt is vizsgálják, hogyan lehetne a statisztikus fizika, a konvex geometria, a gráfelmélet és a dinamikai rendszerek elméletének eredményeit a legújabb digitális méréstechnikával ötvözve a formafejlődési folyamatok leírásának szolgálatába állítani.”

HA - GI

Fotó: Philip János

Illusztráció: Domokos Gábor