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Selbstorganisation, Entmischung & Musterbildung -

Die Physik der Granularen Materie

kern-energie.com

Frank Oriold, Ferienakademie 2011

Bedeutung Granularer Materie

Industrie

Fertigung

Lagerung

Transport

Katastrophenforscher Bärbel Fromme, Feuerräder, Zebra

streifen und Lawinen, 2005

top-wetter.de

Gliederung

Was ist Granulare Materie?

Reynoldsche Dilatanz

Energiedissipation

Ruhende Granulare Materie: Schüttwinkel

Scherverdünnung

Kontaknetzwerke und Kraftbrücken

Entmischungseffekt und Musterbildung

Zusammenfassung

Was ist ein Granulat?

Konglomerat vieler makroskopischer Teilchen sciblogs.co.nz

Reibung bedeutsamste Wechselwirkung

Interessanter Aggregatszustand

http://sciblogs.co.nz

mi9.com

Vielfältigkeit des physik. Verhalten Granularer

Materie

carstyling.ru

festähnlich

quarzwerke.com

flüssigähnlich

wetter-foto.de

gasähnlich

Reynoldsche Dilatanz

Sand-Wasser-Gemisch

Volumenvergrößerung bei Deformation

„Neue“ Hohlräume von Wasser gefüllt

-> Sinken des Wasserstands

Bärbel Fromme,

Feuerräder, Zebra

streifen und Lawinen, 2005

kein Druck leichter Druck

Reynoldsche Dilatanz 2

Weihnachtsvorlesung Erlangen, Theorie 1, 2008

Energiedissipation:

Reibungseffekte

Bei Vibration: Sammlung des Granulats in der rechten Kammer

Bilder: Bärbel Fromme, Feuerräder, Zebrastreifen und Lawinen, 2005

Energiedissipation: Reibungseffekte

2

Bild: Bärbel Fromme, Feuerräder, Zebrastreifen und Lawinen, 2005

Schüttwinkel

tan(Θ) ≈ μ

Abhängig von:

Material

Feuchtigkeit

Körnung

Rauheit

Schüttwinkel zweier Materialien

Bilder: Bärbel Fromme, Feuerräder, Zebrastreifen und Lawinen, 2005

Schüttwinkel nasser und trockener

Granulate

http://de.wikipedia.org

Schüttkegel aus Sand

http://www.ariva.de

Feuchter Sand, beliebiger Schüttwinkel

Überschreitung des Schüttwinkels

Lawinenartiger Fluss Quelle: Feuerräder, Fromme, 2005

an der Oberfläche

-> Schüttwinkel stellt

sich wieder ein

Farblich animierter Granulatfluss

Bild: Bärbel Fromme, Feuerräder, Zebrastreifen und Lawinen, 2005

Untergang der Pamir

Lagerung: knapp

4.000 Tonnen lose Gerste

Überschrittener

Schüttwinkel

-> Verrutschte Gerste

Verlagerter Schwerpunkt http://3.bp.blogspot.com

Schiff in Schieflage

Weihnachtsvorlesung Erlangen, Theorie 1, 2008

Staublawinen

Hangneigung > 40 Grad

Überschreitung des Schüttwinkels von großen

Schneemassen

Geschwindigkeit bis 350 km/h

Abgang einer

Staublawine

Quelle: http://www.powderguide.com

Scherverdünnung

Sand- Wasser- Suspension

Nichtnewtonsches Fluid

Viskositätsänderung bei Scherkraftänderung

Quelle: http://www.unmuseum.org/quickdiagram.jpg

Entstehung von Treibsand

Scherverdünnung

Quelle: youtube.de, ArgentumNZ

Video,

http://www.youtube.com/watch?v=tvYKcCS_

J7Y

http://www.phy.duke.edu Weihnachtsvorlesung, Theorie 1, 2008

Silobersten Kraftbrücken Bild Mitte: Bärbel Fromme, Feuerräder, Zebrastreifen und Lawinen, 2005

Kraftbrücken

Druckabhängigkeit bzgl. der

Füllhöhe

Druck bei Flüssigkeit

Druck bei Granulat

Bilder: Bärbel Fromme, Feuerräder, Zebrastreifen und Lawinen, 2005

Vermeidung von Kraftbrücken

Granulatbefülltes Silo

Ungewollte Kraftbrückenbildungen

Verstopfen des Granulats

Lösung: Umbau der Öffnung

Quelle: Geroldinger

Entleeren des Silos

Entmischung eines bidispärsen

Granulats

Entmischung des

Granulatgemischs

„Zebrastreifen“ gelb: glatte, kleine Teilchen

rot: raue, größere Teilchen Bilder: Bärbel Fromme, Feuerräder, Zebrastreifen und Lawinen, 2005

Entmischung eines bidispärsen Granulats 2

Bilder: Bärbel Fromme, Feuerräder, Zebrastreifen und Lawinen, 2005

h

Entmischung eines bidispärsen Granulats 3

Zebramuster

Bilder: Bärbel Fromme, Feuerräder, Zebrastreifen und Lawinen, 2005

Feuerrad

Homogene Mischung zweier

Granulate

Langsame Rotation

Überschreiten des Schüttwinkels

Lawinenartige Entmischung

Feuerrad

Bild: Bärbel Fromme, Feuerräder, Zebrastreifen und Lawinen, 2005

Paranusseffekt

Große Teilchen oben

Konvektionswalzen

Begründung:

Reibung an Wand bei

Aufwärtsbewegung größer

als bei Abwärtsbewegung

• -> Nettoabwärtsbewegung

an Wänden

Bild rechts oben: Bärbel Fromme, Feuerräder, Zebrastreifen und Lawinen, 2005

Zusammenfassung Granulate

Granulare Materie: Vielteilchensystem mit

kollektiven Eigenschaften

Kein Aggregatszustand an sich

Reibung dominanteste Wechselwirkung

Schüttwinkel material- und situationsabhängig

Scherverdünnung von Suspensionen

Entstehen von Kraftbrücken

Entmischungsvorgänge

Fazit

Gebiet aktueller Forschung

Katastrophenprävention

Bedeutung für Industrie

Sandburgbauen