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Granulare Materie

Diese Schlagwort ist 19 Beiträgen zugeordnet

Rippelpisten im urbanen Raum

In diesen Tagen wurden die Straßen in unserer Gegend „ausgebessert“, indem sie eingeteert und anschließend reichlich mit Split bestreut wurden. Man überlässt jetzt den AutofahrerInnen die Arbeit, unfreiwillig diese Teilchen in den geteerten Untergrund einzuwalzen. Wenn dann zwei oder drei Wochen vergangen sind, wird der nicht befestigte Rest des Splits mit einer Fegemaschine wieder „eingesammelt“. Was die AutofahrerInnen von dieser Aktion vor allem mitbekommen, sind die an die Innenwände der Kotflügel prasselnden Teilchen, die von den rotierenden Rädern hochgeschleudert werden und dass sie in dieser Zeit wegen der eingeschränkten Bodenhaftung und der damit verbundenen Schleudergefahr nur mit einer Geschwindigkeit von 30 km/h fahren dürfen. Weiterlesen

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Never ending stories III – Spiralen der Vergänglichkeit

Das Verhalten von Sand unter unregelmäßigen und regelmäßigen mechanischen Einwirkungen ist auf dieser Seite schon öfter angesprochen worden. Man denke etwa an den Wind in der Wüste oder in mechanische Schwingungen versetzte Sankörner. Dabei standen vor allem physikalische Aspekte im Vordergrund. Die ästhetische Dimension war dabei jedoch nicht zu übersehen.
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Bei Flut sinkt der Wasserspiegel im Brunnen

Schlichting, H. Joachim. Physik in unserer Zeit 48/6 (2017), S.307

Kürzlich wies der englische Wissenschafts-journalist Marcus Chown auf ein schon in der Antike diskutiertes geophysikalisches Rätsel hin [1]. Demnach hat der griechische Philosoph Poseidonius um etwa 100 v. Chr. an der Atlantikküste von Spanien in der Nähe des heutigen Cadiz bemerkt, dass der Wasserstand in einem Brunnen immer dann sinkt, wenn aufgrund der Gezeiten die Flut kommt und umgekehrt. Weiterlesen

Wie Sand am Strand

Schlichting, H. Joachim. Naturwissenschaften im Unterricht Physik 159/160 (2017) S. 56 – 57

Trockener Sand rinnt wie eine Flüssigkeit durch die Finger. Vom Wind verweht, bildet es jedoch teilweise sehr komplexe wellenartige Muster aus, die sich als Sandrippel und Sanddünen fortbewegen. Am Strand sinkt man tief in den trockenen Sand ein. Es ist anstrengend darüber zu laufen. Lässt man den Sand in Gefäße fließen, so nimmt er nahezu wie eine Flüssigkeit die Gefäßform an. Weiterlesen

Rätselfoto des Monats August 2017

hoehenlinien_im_sand__4_17_rWie könnte dieses Muster in einer Dünenlandschaft entstanden sein?

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Glänzender Schmutz

Sediment_WasserpfützeDer Schmutz ist glänzend,
wenn die Sonne scheinen mag.

Johann Wolfgang von Goethe

Wenn eine Wasserpfütze durch Verdunstung und Versickern trockenfällt, hat sich auf dem freiwerdenden Boden einiges getan. Die im Wasser suspendierten Schmutzteilchen und Sandkörner haben sich gesetzt und zwar in einer an einen Siebevorgang erinnernden Weise. Zuerst sedimentiern die gröberen und schwereren Teilchen, dann die mittelgroßen und schließlich die kleinen, ganz feinen – in nahezu kontinuierlicher Abfolge. Das hat zur Folge, dass der oberste Belag des Boden aus feinsten Teilchen besteht, die die Oberfläche nahezu wie ein Lack versiegeln. Die Schicht ist so glatt, dass sie auch im bereits wasserfreien Zustand auf Hochglanz poliert erscheint. Erst wenn diese Schicht völlig ausgetrocknet ist, entsteht eine matte und hellere Färbung.
Auf dem Foto haben auf der noch nicht ganz verfestigten Oberfläche einige Käfer und andere Insekten ihre Spuren hinterlassen, die für einen diesbezüglichen Spurensucher einige Informationen über die Tierchen und ihr Verhalten bieten.

Rätselfoto des Monats März 2017

waschbrettpiste_3_17Frage: Wie kommt es zu derartigen Waschbrettmustern auf Wegen und Straßen?

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Sanddünen und Emergenz

SanddünenK Weiterlesen

Rätselfoto des Monats April 2016

123_Sandlawinen_April_2016Wie kommt es zu dieser (fast) symmetrischen Sandstruktur?

Erklärung des Rätselfotos vom Vormonat: Deformationen von Kondensstreifen

 

El secreto de los castillos de arena

SandburgH. Joachim Schlichting. In: Investigación y Ciencia 7 (2015)

La razón por la que un castillo de arena no se desmorona reside en que su estabilidad apenas depende de la proporción exacta de agua y arena. Hasta hace poco, los científicos ignoraban por qué ocurre así.

Das Geheimnis der Sandburgen

SandburgSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 9 (2014), S. 44 – 45

Auch Kinder können stabile Sandburgen bauen, denn auf
das genaue Mischungsverhältnis von Wasser und Sand
kommt es kaum an. Warum das so ist, wissen Forscher aber
erst seit wenigen Jahren!

Wer je ein Kind beseligt matschend im Sandkasten
oder am Meeresstrand beobachtete, der weiß,
daß in diesem glückhaft-tätigen Umgang
mit dem wäßrigen Erdenbrei
etwas Elementares geschieht.
Günter Altner (1936 – 2011)

PDF: Das Geheimnis der Sandburgen

Warum Getreidesilos manchmal platzen

Schlichting, H. Joachim. In: Physik in unserer Zeit 44/3 (2013), S. 147- 14Clip_1408

Trotz einer langen Tradition in der Konstruktion von Getreidesilos lassen sich auch heute noch platzende und zusammenbrechende Silos nicht vermeiden. Das Phänomen ist Gegenstand der aktuellen Forschung.

Kürzlich war in einer Lokalzeitung zu lesen, dass ein großes Getreidesilo mit 1000 t Gerste geplatzt sei (Abb. 1). Der dazu interviewte Getreidehändler konnte sich den Crash nicht erklären, zumal die Siloanlage ziemlich neu sei. Er habe noch nie gehört, dass die Wand eines Silos platzt und den Behälter einknicken lässt [1].
Das spricht dafür, dass ein solcher Fall zum Glück relativ selten auftritt. In der Physik der granularen Materie gehört er allerdings zu den drastischen Beispielen, an denen sich zeigt, dass granulare Materie, wie im vorliegenden Fall das Getreide, stets für Überraschungen gut ist.

 Granulare Materie: Weder Flüssigkeit noch Festkörper
Getreide ist ein typisches Beispiel für granulare Materie. So nennt man in der nichtlineare Physik Material, das aus vielen festen Teilchen wie beispielsweise Kugeln, Sandkörnern, Kieselsteinen u.ä. bestehen. Aber auch wesentlich größere Bestandteile wie Kartoffeln oder Geröll gehören dazu. Typisch für granulare Materie ist, dass sie sich manchmal wie eine Flüssigkeit verhält: sie fließt, rinnt, rieselt. In anderen Fällen dominieren aber die Festkörpereigenschaften: die Teilchen sind fest, elastisch, reibend und bilden anders als eine Flüssigkeit keine ebene Oberfläche, sondern Schütthaufen mit typischen Neigungswinkeln.
Das ist auch der Grund dafür, dass eine Sanduhr mit einem Granulat als fließende Substanz arbeitet und nicht mit einer Flüssigkeit. Denn im Unterschied zu einer Flüssigkeit bleibt die Fließgeschwindigkeit weitgehend konstant und erlaubt eine dem Sandstrom proportionale Zeitmessung. Allerdings kann man eine Sanduhr durch kleinste Störungen dazu bringen, dass sie ins Stocken gerät (Physik in unserer Zeit 37/2 (2006) S. 99). Demgegenüber hängt die Fließgeschwindigkeit bei einer Flüssigkeit von der Höhe der Flüssigkeitssäule ab. Sie fließt umso schneller, je höher die Flüssigkeitssäule ist.

Diesen Eigenschaften entsprechend füllt Getreide, wenn es durch Rohre strömend von oben in ein Getreidesilo geleitet wird, den zur Verfügung stehenden Raum zwar weitgehend aus. Aber anders als eine Flüssigkeit, bei der der Druck auf den Boden und auf die Behälterwand in Höhe des Bodens proportional mit der darüber befindlichen Flüssigkeitssäule wächst, nimmt der mittlere Druck im Getreidesilo mit der Höhe immer weniger zu und erreicht einen Sättigungswert (Abb. 2).
Diese Erkenntnis wurde bereits 1895 von dem deutschen Ingenieur H. A. Janssen gewonnen, der das Verhalten von Getreide in einem Silo quantitativ zu beschreiben versuchte [2]. Er leitete eine analytische Formel her, indem er davon ausging, dass die Wände einen Teil der Last des Granulats aufnehmen. Diese Untersuchungsergebnisse Janssens werden im Prinzip auch heute noch bei der Konstruktion von Silos zur Berechnung der Fülldrücke in den einzelnen Sektoren des meist zylindrischen Behälters angewandt.
Die wesentliche Ursache dafür, dass sich granulare Materie, wie in unserem Fall das Getreide in einem Silo, nicht immer wie eine Flüssigkeit verhält, besteht in der unterschiedlichen Art der Wechselwirkung zwischen den Teilchen. Die festen Körner eines Granulats wechselwirken nur an den Stellen, an denen sie einander berühren. An diesen Kontaktstellen üben sie Kräfte aufeinander aus, die letztlich durch die Schwerkraft des auflastenden Materials hervorgerufen werden. Durch eine solche Kontaktwechselwirkung können innerhalb einer dichten Packung eines Granulats leicht Gewölbe und Bögen entstehen.
Solche Vorgänge kennt man auch aus dem Alltag. Wenn man beispielsweise mit einem Trichter Tee in eine Teedose abfüllt, gerät der Strom nicht selten ins Stocken. Drücken von oben hilft dabei nichts. Im Gegensteil stellt man dann meist fest, dass der Stau dadurch noch größer wird. Und man nimmt mit Verwunderung zur Kenntnis, wie hart und widerstandsfähig ordinäre Teeblätter werden können. Auch bei größeren „Teilchen“, wie etwa Baguettes, die in KaGetreidesilo Abb2ntinen und Mensen manchmal in einem schachtartigen Behälter zur Verfügung gehalten werden (Abb. 2), kann es zur Gewölbebildung kommen. Dann rutschen sie nicht mehr wie vorgesehen in dem Maße nach, wie sie unten entnommen werden, sondern stützen sich gegenseitig und an den Wänden so ab, dass die Last letztlich von den Wänden aufgenommen wird.
Dieser Effekt wird übrigens seit Menschengedenken beim Bau von Brücken und Bögen in Bauwerken ausgenutzt. Während diese Gewölbe aber gezielt hergestellt werden, entstehen sie in Granulaten durch Zufall von selbst an nicht vorherbestimmbaren Stellen und entziehen sich weitgehend der Kontrolle. 

Kontaktkraftnetzwerke
Solche Gewölbebildungen sorgen in einem Silo dafür, dass die durch die Gewichtskraft des auflastenden Getreides nicht wie gewünscht hauptsächlich auf den Boden wirkt, sondern in ein komplexen Kontaktnetzwerk „abgetragen“ wird, das weitgehend durch den Zufall bestimmt wird. Dabei übertragen manche Kontakte ein Vielfaches der Gewichtskraft eines einzelnen Körnchens, andere aber nur einen Bruchteil davon. Normalerweise brechen die Kraftketten zwischen den Teilchen bei einer Änderung des Drucks innerhalb des Granulats, so dass sich die Kräfte relativ gleichmäßig verteilen können. Aber in manchen Fällen verfestigen sichGetreidesilo Abb3 die Kraftketten, so dass ein zusätzlicher Druck viel weiter- und tiefergehend als gewöhnlich ausgeübt wird [3]. Auf diese Weise können lokal enorme Drücke auf die Wandung des Behälters aufgebaut werden, die im Extremfall so groß werden, dass es zum Bersten des Behälters kommt. Dabei spielen Reibungskräfte zwischen den Teilchen untereinander und der Silowand sowie die Elastizität der Teilchen eine wesentliche Rolle. Aber auch die Vorgeschichte, wie beispielsweise das Granulat eingefüllt wurde und sich im Silo verteilt, ist für dessen Stabilität von großer Bedeutung.
Ausschlaggebend für eine solche Katastrophe ist also ein extrem nichtlinearer und bis heute noch nicht vollständig verstandener und beherrschter Effekt [3]. Er stößt auch deshalb oft auf Unverständnis, weil insbesondere im Bereich technischer Konstruktionen das lineare Denken fest verankert ist, wonach eine kleine Ursache auch eine kleine Wirkung nach sich zieht. Solange das Problem nicht völlig geklärt ist, wird sich das Bersten eines Silos nicht völlig ausschließen lassen.

Zusammenfassung
Getreidesilos machen zuweilen durch ein spektakuläres Zerbersten auf sich aufmerksam. Verantwortlich dafür ist die Tatsache, dass Granulate, zu denen auch Getreide gehört, sich oft zwar wie Flüssigkeiten verhalten, manchmal aber auch extrem anders. Verantwortlich für diesen Unterschied ist ein nichtlinearer Effekt, wonach die Getreidekörner Gewölbe und Brücken bilden und dadurch zusätzliche Kräfte auf die Wand eines Silos ausüben. Der dadurch hervorgerufene Druck kann so groß werden, dass es zum Bersten des Silos kommt. Ob im vorliegenden Fall tatsächlich dieser Silo-Effekt vorliegt oder möglicherweise eine andere Ursache gefunden wird, ist uns allerdings nicht bekannt.

Literatur
[1] Adomeit, Stefanie: Silo platzt: Eine Million Euro Schaden. Neue Osnabrücker Zeitung vom 15.10.2012, S. 24
[2] Janssen, H. A.: Versuche über Getreidedruck in Silozellen. Zeitschrift des Vereines deutscher Ingenieure 39 (1895), S. 1045 – 49
[3] Wambaugh, J.F., Hartley, R.R., and Behringer, R.P.: Force networks and elasticity in granular silos. European Physics Journal E 32, 135-145 (2010)
[4] Ovarlez, G., Fond, C., Clement, E.: Overshoot effect in the Janssen granular column: A crucial test for granular mechanics. PHYSICAL REVIEW E 67 (R) 060302 (2003)

PDf: Sonderdrucke können vom Autor angefordert werden (schlichting@uni-muenster.de)

Networking für Tomaten

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 44/5 (2013). S. 44-46

StapeTomatenlt man Gegenstände in der Einkaufstüte, fallen die obersten nicht mehr so sehr ins Gewicht. Wiegt das Ganze womöglich weniger als die Summe seiner Teile?

Warum, dachte ich, sinkt wohl das Gewölbe nicht ein,
da es doch keine Stütze hat?
Es steht, antwortete ich,
weil alle Steine auf einmal einstürzen wollen.
Heinrich von Kleist (1777 – 1811)

Networking für Tomaten

Das Geheimnis der Waschbrettpisten

WaschbrettpistenSchlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 44/4 (2013), S. 52-53

Kleine Ursachen können große Wirkungen haben. Aber warum führen sie auf unbefestigten Straßen zu so regelmäßigen Strukturen?

… die Wirklichkeit ist immer komplizierter als die Dichtung:
weniger glatt, weniger abgerundet, viel holpriger.
Es kommt selten vor, dass sie sich an eine Ebene hält.
Primo Levi (1919 – 1987)

Das Geheimnis der Waschbrettpisten

Hart wie ein Brett

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 43/6 (2012), S. 48-49

Verpackt man körnige Lebensmittel unter Luftabschluss, leisten sie erbitterten Widerstand gegen jegliche Verformung.

Schließlich ist das Einzige, was wir uns dem
unbegrenzten Raum zum Trotz ausdenken können,
die Kunst der Konzentration, der Sammlung,
der Einnahme einer möglichst geringen Oberfläche.
Andrzej Stasiuk (*1960)

http://www.spektrum.de/alias/schlichting/hart-wie-ein-brett/1149969

Physik beim Frühstück

Nordmeier, Volkhard; Schlichting, H. Joachim. In: Unterricht Physik 19/105_106 (2008) 12 – 16

In der Küche sind bekanntermaßen vielfältige physikalische Phänomene zu beobachten. Bereits bei der Zubereitung des Frühstücks – z.B. beim Öffnen eines frischen Päckchens Kaffee, beim Hantieren mit einer Eieruhr oder einem Trichter – begegnet man spannender Physik. In diesem Beitrag wollen wir diese Alltagsphysik aus der Perspektive der elementarsten Bestandteile der Küche betrachten, den Granulaten. Man findet sie überall, z.B. als Kaffee, Kakao, Zucker, Salz, Mehl oder Reis.

PDF: Physik beim Frühstück

Einfache Experimente zur Selbstorganisation – Strukturbildung bei Sand und anderen Granulaten

Sandruettelstruktur004arvNordmeier, Volkhard; Schlichting, H. Joachim. In: Unterricht Physik_17_2006_Nr. 94, S. 28 – 31 (geringfügig geänderte Version)

Natur organisiert sich selbst. Dies zeigt sich in den vielfältigen Mustern und Strukturen der unbelebten wie auch der belebten Natur, Selbstorganisationsphänomene sind jedoch komplex. und ihre Erklärung ist anspruchsvoll. Dennoch ist es möglich, wesentliche Ideen der Selbstorganisation – insbesondere der Strukturbildung – auch Schülerinnen und Schülern in der Sekundarstufe I zugänglich zu machen.

Freihandexperimente mit granularer Materie bieten einen intuitiven Zugang zu Phänomenen der Selbstorganisation. Wir zeigen hier einige der besonderen Eigenschaften von Sandkörnern und an- deren Granulaten. wie sie durch Zufuhr von mechanischer Energie zu kollektivem Verhalten angeregt werden und wie dabei vielfältige, auch ästhetisch ansprechende Muster entstehen können.

PDF: Einfache Experimente zur Selbstorganisation

Ein Sandhaufen mit Erinnerung – Experimentelle Untersuchungen zur Selbstorganisierten Kritikalität

Nordmeier, Volkhard; Schlichting, H. Joachim. In: Physik in der Schule 35/5, 192-195 (1997).

Als ein Paradigma für sich selbst organisierende kritische Phänomene hat sich seit einigen Jahren die Theorie der selbstorganisierten Kritikalität (SOK) (vgl. [1], [2]) in der nichtlinearen Physik etabliert.
Nach dieser Theorie entwickeln sich viele Systeme unabhängig von ihrem Anfangszustand ‚von selbst‘ zu einem kritischen stationären Zustand hin. Obwohl  sich hier schon kleinste Störungen über alle Größenordnungen hinweg  bemerkbar machen können, finden diese Systeme stets von selbst in den kritischen Zustand zurück. Ein bekanntes, auch mit Mitteln der Schulphysik erforschbares System stellt beispielsweise der Sandhaufen dar: Je größer er wird, um so steiler werden seine Seiten, jedoch nur so lange, bis die Neigung einen kritischen Wert annimmt, der trotz weiterer Sandzufuhr beibehalten wird.

Im folgenden werden experimentelle Arbeiten zu diesem Themengebiet  vorgestellt, die die typische Dynamik eines Sandhaufens beschreiben und zudem Aufschlüsse über die zugrundeliegenden Gesetzmäßigkeiten der SOK geben.

PDF: Ein Sandhaufen mit Erinnerung – Experimentelle Untersuchungen zur Selbstorganisierten Kritikalität

Strukturen im Sand – Kollektives Verhalten und Selbstorganisation bei Granulaten

Schlichting, H. Joachim; Nordmeier, Volkhard. In: Der Mathematische und Naturwissenschaftliche Unterricht 49/6, 323-332 (1996).

Sand und andere Granulate eignen sich als Modellsubstanzen zur Untersuchung wesentlicher Aspekte von Phänomenen und Mechanismen der  Selbstorganisation in Vielteilchensystemen. Es wird anhand einfacher, mit schulischen Mitteln durchführbarer Experimente gezeigt, daß Sand- und andere Granulatkörner, die in der Schlichtheit ihrer Gestalt und Wechselwirkungen untereinander kaum zu unterbieten sind, durch relativ unspezifische Zufuhr von  mechanischer Energie zu einem kollektiven Verhalten angeregt werden können,  das in äußerst reichhaltigen und auch ästhetisch ansprechenden (dissipativen) Strukturen einen sichtbaren Ausdruck findet.

PDF: Strukturen im Sand – Kollektives Verhalten und Selbstorganisation bei Granulaten