¿Las fluctuaciones dan forma a las redes con bucles?
Comprender cómo se forman y evolucionan las redes de transporte, como los sistemas fluviales, es crucial para optimizar su estabilidad y resiliencia. Resulta que las redes no son todas iguales. Las estructuras ramificadas son adecuadas para el transporte, mientras que las redes que contienen bucles son más resistentes a los daños. ¿Qué condiciones favorecen la formación de bucles? Investigadores de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia y la Universidad de Arkansas buscaron responder a esta pregunta. Los hallazgos, publicados en Physical Review Letters, muestran que las redes tienden a formar estructuras de bucle estables cuando las fluctuaciones de flujo se ajustan adecuadamente. Este hallazgo nos permitirá comprender mejor la estructura de las redes de transporte dinámicas.
Las redes de transporte, como los vasos sanguíneos o los sistemas fluviales, son esenciales para muchos sistemas naturales y hechos por el hombre. Comprender cómo se forman y crecen estas redes es crucial para optimizar su estabilidad y resiliencia. Incluso los sistemas de flujo aparentemente similares, como los deltas de los ríos, pueden incluir diferentes morfologías. La salida de Wax Lake en Luisiana, EE. UU., parece ramificarse en un patrón arbóreo con salidas de ríos más pequeñas que llegan al Océano Atlántico. El delta del río Ganges-Brahmaputra en Bangladesh, por otro lado, muestra una topología en forma de bucle, con numerosos canales que interconectan las ramas principales. Lo que diferencia a estos dos sistemas es la magnitud de las fluctuaciones de flujo, impulsadas por una interacción entre la descarga del río y las mareas.
La pregunta de qué condiciones ambientales podrían promover la formación de bucles sobre estructuras ramificadas ha inspirado a una colaboración de científicos de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, Polonia, y la Universidad de Arkansas, EE. UU., para investigar la estabilidad de las topologías en forma de bucle en las redes de flujo. Los resultados de la investigación, publicados en “Physical Review Letters”, muestran que las redes tienden a permanecer en forma de bucle cuando las fluctuaciones del flujo se mantienen ajustadas de una manera particular.
“Reglas de crecimiento simples a menudo pueden conducir a patrones fascinantes. Las estructuras ramificadas son efectivas para el transporte, pero las redes que contienen bucles son más resistentes al daño”, dice el profesor Piotr Szymczak de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia, coautor del estudio. “Comprender las condiciones necesarias para el surgimiento de bucles en redes en evolución es nuestro objetivo a largo plazo”.
“Las redes fluviales pueden verse notablemente diferentes según el río y el mar – los datos geoespaciales nos brindan evidencia visual sobre las morfologías cambiantes de los deltas de los ríos y con nuevos datos que se recopilan sobre las características del flujo, estamos tratando de aprender más sobre la dinámica de su evolución, particularmente en el momento del rápido cambio climático”, comenta el profesor John Shaw de la Universidad de Arkansas, quien pasó su año sabático en la UW en Polonia gracias al premio Fulbright Research Award. “Esta publicación nació de la fusión de observaciones geológicas, ecuaciones de sedimentología y métodos matemáticos de la física”.
“Nuestra colaboración comenzó centrada en los ríos, pero las observaciones se generalizan a una clase notablemente amplia de redes de transporte”, dice Radost Waszkiewicz, la principal coautora del artículo y estudiante de doctorado en la Facultad de Física UW.
Los científicos han descubierto que la estabilidad de los bucles en estas redes depende de la interacción entre las restricciones geométricas y las fluctuaciones en el flujo. Encontraron que los bucles requieren fluctuaciones en el tamaño relativo del flujo entre nodos, no solo variaciones temporales en el flujo en un solo nodo, y que los bucles son más estables cuando las fluctuaciones no son ni demasiado pequeñas ni demasiado grandes en relación con el componente de flujo constante.
“Si el patrón de fluctuación cambia debido a factores externos como la intervención humana o el cambio climático, nuevos bucles dentro de las redes de transporte podrían aparecer o desaparecer, transformando la forma de la red”, concluye el profesor Maciej Lisicki de la Facultad de Física, UW. Esperamos que esta observación incentive mediciones más precisas en sistemas naturales y nos lleve un paso más cerca de comprender la remodelación dinámica de las redes de transporte”.
Facultad de Física de la Universidad de Varsovia
La física y la astronomía en la Universidad de Varsovia aparecieron en 1816 como parte de la entonces Facultad de Filosofía. En 1825, se estableció el Observatorio Astronómico. En la actualidad, la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia consta de los siguientes institutos: Física Experimental, Física Teórica, Geofísica, el Departamento de Métodos Matemáticos en Física y el Observatorio Astronómico. La investigación abarca casi todas las áreas de la física moderna en escalas desde la cuántica hasta la cosmológica. El personal de investigación y docencia de la Facultad está formado por más de 250 profesores universitarios. Cerca de 1100 estudiantes y más de 170 estudiantes de doctorado estudian en la Facultad de Física de la UW. La Universidad de Varsovia se encuentra entre las 150 mejores universidades del mundo, educando en el campo de la física de acuerdo con el Ranking Global de Materias Académicas de Shanghái.
PUBLICACIÓN CIENTÍFICA:
Radost Waszkiewicz, John Burnham Shaw, Maciej Lisicki y Piotr Szymczak Fluctuaciones de Ricitos de Oro: Restricciones dinámicas a la formación de bucles en redes de transporte libres de escala Phys. Rev. Lett. 132, 137401 – (2024) DOI:10.1103/PhysRevLett.132.137401
CONTACTO:
Prof. John Shaw
Universidad de Arkansas
Shaw84@uark.edu
MSc Radost Waszkiewicz
Facultad de Física Universidad de Varsovia
Radost.Waszkiewicz@fuw.edu.pl
Prof. Piotr Szymczak
Facultad de Física Universidad de Varsovia
correo electrónico: piotrek@fuw.edu.pl
Dr. Maciej Lisicki, prof. UW
Facultad de Física Universidad de Varsovia
maciej.lisicki@fuw.edu.pl
SITIOS WEB RELACIONADOS WWW:
Sitio web de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia
Servicio de prensa de la Facultad de Física de la Universidad de Varsovia
MATERIALES GRÁFICOS:
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Figura 1: Los estuarios de los ríos en el océano pueden tomar diversas formas. (izquierda) El delta de los ríos Ganges y Brahmaputra en la desembocadura del Océano Índico consta de canales que forman bucles que rodean cientos de islas. Fuente (Google Earth), (derecha) La desembocadura de un río desde Wax Lake en Luisiana, EE. UU., hasta el Océano Atlántico es similar a la de un árbol, en el que la corriente principal se divide en ramas más pequeñas. (Fuente: Google Earth).
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Figura 2: (A) La red de canales gastrovasculares de la medusa Aurelia aurita distribuye nutrientes a su tejido. Los nuevos canales aparecen en el borde exterior de la medusa, crecen hacia sus estómagos en el centro y se reconectan a las partes existentes de la red, creando muchos bucles. Fuente: Stanisław Żukowski, Facultad de Física, Universidad de Varsovia & Laboratoire Matière et Systèmes Complexés, Université Paris Cité. (B) Los vasos sanguíneos en la retina del ojo humano forman una red densa en la que los vasos vecinos tienen múltiples conexiones, lo que da como resultado numerosos bucles. (Fuente: Dr. Graeme Birdsey y Prof. Anna M. Randi, Imperial College London).
