Die Physik der Granularen Materie

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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
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
an der Oberfläche
-> Schüttwinkel stellt
sich wieder ein
Quelle: Feuerräder, Fromme, 2005
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

Video,

http://www.youtube.com/watch?v=tvYKcCS_
J7Y
Quelle: youtube.de, ArgentumNZ
Kraftbrücken
http://www.phy.duke.edu
Silobersten
Weihnachtsvorlesung, Theorie 1, 2008
Kraftbrücken
Bild Mitte: Bärbel Fromme, Feuerräder, Zebrastreifen und Lawinen, 2005
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

h
Bilder: Bärbel Fromme, Feuerräder, Zebrastreifen und Lawinen, 2005
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

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