zottarella.de selbstorganisation, entmischung ... · zottarella.de selbstorganisation, entmischung...
TRANSCRIPT
zottarella.de
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