El trabajo va por libre: sus vecinos más cercanos en el archivo estudian divisiones celulares, transporte de calor en grafeno, avalanchas de nieve, hilos en un flujo y fricción en fallas. Todos ellos tienen que ver, de un modo u otro, con reorganizaciones colectivas en medios desordenados, pero este artículo destaca porque muestra por primera vez de forma sistemática la posibilidad de acumular energía durante una avalancha en una falla granular. Hasta ahora se pensaba que una avalancha siempre libera tensión y compacta el material; sin embargo, aquí se han detectado eventos que expanden la capa y, a la vez, aumentan la energía elástica almacenada en el borde.
El montaje experimental consistía en una capa única de aproximadamente 4000 discos fotoelásticos de dos diámetros, confinados en un espacio anular de 5 mm de ancho entre dos paredes cilíndricas fijas. La placa inferior giraba a una velocidad constante de 48 mm/h, mientras que la superior podía desplazarse libremente en vertical bajo una carga de unos 20 kg. Se registraron de forma continua la fuerza de accionamiento, la fuerza de cizallamiento sobre la placa superior y su desplazamiento vertical con una frecuencia de 10 kHz. Seis sensores piezoeléctricos registraban la emisión acústica a 100 kHz, y 24 cámaras sincronizadas tomaban imágenes de la estructura cada 4 segundos. Cada experimento duraba alrededor de 100 horas y registraba cientos de miles de avalanchas.
A lo largo de todo el tiempo de medición se identificaron alrededor de 400 000 picos acústicos, 100 000 avalanchas mecánicas y 20 000 eventos discretos de desplazamiento. Las avalanchas se clasificaron según los signos de cambio de la energía mecánica en el borde que opone resistencia y del desplazamiento vertical: Q1 (liberación de energía y compresión), Q2 (liberación de energía y expansión), Q3 (acumulación de energía y compresión), Q4 (acumulación de energía y expansión). Las más frecuentes resultaron ser las liberaciones puras de energía, pero los eventos más grandes aparecen en Q1 y Q4. Los eventos Q4, llamados «avalanchas negativas», expanden la capa y aumentan la energía transferida al borde fijo, y además su respuesta acústica es sistemáticamente más intensa que la de los eventos con liberación de energía. El análisis estructural muestra que en Q1 y Q2 el movimiento de los granos se concentra en la banda de cizallamiento con estructuras vorticiales, mientras que en Q3 y Q4 los desplazamientos son casi la mitad, pero se propagan por la zona comprimida y difuminan el borde de la banda de cizallamiento.
A diferencia de los trabajos vecinos, que consideran las avalanchas como eventos puramente disipativos, este estudio demuestra que una avalancha puede ser un mecanismo de redistribución de la tensión hacia un estado más cargado. Esto cambia la idea del papel de las avalanchas en la evolución de las fallas: en lugar de limitarse a liberar energía, pueden preparar el sistema para una inestabilidad posterior. Los cuatro regímenes obtenidos relacionan la dilatancia, la reorganización de las cadenas de fuerza y la acumulación de energía elástica, lo que ofrece una nueva base para interpretar datos sísmicos y de laboratorio.
El tema puede avanzar hacia la identificación de los motivos estructurales de la red de contactos que favorecen la ruptura o, por el contrario, estabilizan la red. Las redes neuronales de grafos y el análisis de estabilidad podrían predecir el tipo de avalancha a partir de la configuración instantánea de los contactos. Además, es importante comprobar cómo dependen las frecuencias de los eventos y las relaciones de escala de la geometría de confinamiento, el protocolo de carga y los umbrales de detección, antes de trasladar el mecanismo a fallas naturales.
Los resultados son importantes para la física de medios granulares, la tribología y la sismología, ya que proponen un nuevo mecanismo de acumulación de tensiones en zonas de cizallamiento.
El siguiente paso será comprobar la reproducibilidad de los regímenes observados en experimentos independientes variando la geometría y la velocidad de carga, así como desarrollar algoritmos de aprendizaje automático para predecir el tipo de avalancha a partir de la estructura de la red de contactos.
El trabajo está directamente relacionado con el problema no resuelto de la predictibilidad de las avalanchas invariantes de escala en medios granulares. El hallazgo de que las avalanchas pueden acumular energía y dejar la falla en un estado más cargado indica que la predicción debe apoyarse no tanto en los precursores como en el estado del sistema después del evento. Esto abre el camino a nuevos enfoques para predecir la ruptura de materiales desordenados.
Las «avalanchas negativas» más grandes expanden la capa y, al mismo tiempo, aumentan la energía elástica transferida al borde fijo, y además su respuesta acústica es sistemáticamente más intensa que la de los eventos habituales que liberan energía.