Físicos exploram como as flutuações moldam as redes de transporte

Entender como as redes de transporte, como sistemas fluviais, se formam e evoluem é crucial para otimizar sua estabilidade e resiliência. Acontece que as redes não são todas iguais. Estruturas semelhantes a árvores são adequadas para transporte, enquanto redes contendo loops são mais resistentes a danos. Quais condições favorecem a formação de loops?

Pesquisadores da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia e da Universidade de Arkansas buscaram responder a essa pergunta. As descobertas, publicadas em Cartas de revisão físicamostram que as redes tendem a formar estruturas de loop estáveis ​​quando as flutuações de fluxo são ajustadas apropriadamente. Essa descoberta nos permitirá entender melhor a estrutura das redes de transporte dinâmicas.

Redes de transporte, como vasos sanguíneos ou sistemas fluviais, são essenciais para muitos sistemas naturais e artificiais. Entender como essas redes se formam e crescem é crucial para otimizar sua estabilidade e resiliência.

Mesmo sistemas de fluxo aparentemente similares, como deltas de rios, podem incluir morfologias diferentes. O escoamento do Lago Wax na Louisiana, EUA, parece ramificar-se em um padrão semelhante a uma árvore, com saídas menores de rios alcançando o Oceano Atlântico. O Delta do Rio Ganges-Brahmaputra em Bangladesh, por outro lado, mostra uma topologia em forma de loop, com vários canais interconectando os ramos primários. O que torna esses dois sistemas diferentes é a magnitude das flutuações de fluxo, impulsionadas por uma interação entre a descarga do rio e os fluxos de maré.

A questão de quais condições ambientais podem promover a formação de loops sobre estruturas semelhantes a árvores inspirou uma colaboração de cientistas da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, Polônia, e da Universidade de Arkansas, EUA, para investigar a estabilidade de topologias semelhantes a loops em redes de fluxo. Os resultados da pesquisa mostram que as redes tendem a permanecer semelhantes a loops quando as flutuações de fluxo permanecem ajustadas de uma maneira particular.

“Regras simples de crescimento podem frequentemente levar a padrões fascinantes. Estruturas semelhantes a árvores são efetivas para transporte, mas redes que contêm loops são mais resilientes a danos”, diz o Prof. Piotr Szymczak da Faculdade de Física da Universidade de Varsóvia, um coautor colaborador do estudo. “Entender as condições necessárias para o surgimento de loops em redes em evolução é nossa meta de longo prazo.”

“As redes fluviais podem parecer notavelmente diferentes dependendo do rio e do mar. Os dados geoespaciais nos fornecem evidências visuais sobre as mudanças morfológicas dos deltas dos rios e, com novos dados sendo coletados sobre as características do fluxo, estamos tentando aprender mais sobre a dinâmica de sua evolução, particularmente em tempos de rápidas mudanças climáticas”, comenta o Prof. John Shaw, da Universidade de Arkansas, que passou seu ano sabático na UW, na Polônia, graças ao Prêmio Fulbright de Pesquisa.

“Esta publicação nasceu da fusão de observações geológicas, equações de sedimentologia e métodos matemáticos da física.”

“Nossa colaboração começou focada em rios, mas as observações se generalizam para uma classe notavelmente grande de redes de transporte”, diz Radost Waszkiewicz, principal coautor do artigo e aluno de doutorado na Faculdade de Física da UW.

Os cientistas descobriram que a estabilidade dos loops nessas redes depende da interação entre restrições geométricas e flutuações no fluxo. Eles descobriram que os loops exigem flutuações no tamanho relativo do fluxo entre os nós, não apenas variações temporais no fluxo em um único nó, e que os loops são mais estáveis ​​quando as flutuações não são nem muito pequenas nem muito grandes em relação ao componente de fluxo constante.

“Se o padrão de flutuação mudar devido a fatores externos, como intervenção humana ou mudanças climáticas, novos loops dentro das redes de transporte podem aparecer ou desaparecer, transformando a forma da rede”, conclui o Prof. Maciej Lisicki da Faculdade de Física da UW.

“Esperamos que essa observação incentive medições mais precisas em sistemas naturais e nos leve um passo adiante na compreensão da remodelação dinâmica das redes de transporte.”