Je leest:

Korrelige materialen schuiven anders dan gedacht

Korrelige materialen schuiven anders dan gedacht

Auteur: | 18 september 2003

Suiker, zand, sneeuw, mest- en ruwe kunststoffen: het zijn allemaal korrelige spullen. Natuurkundigen proberen het gedrag van zulke materialen te beschrijven en voorspellen – en dat blijkt verre van eenvoudig. Onderzoekers van de Universiteit Leiden zetten nu een van de weinige zekerheden op de helling.

Een lawine en een dijkverzakking zoals bij Wilnis zijn in essentie dezelfde verschijnselen. In beide gevallen gaat het om beweging in korrelige of granulaire materialen. Die stromen niet gelijkmatig zoals een vloeistof, maar komen schokkerig in beweging. Met van tijd tot tijd desastreuze gevolgen. Als korrelig materiaal in beweging komt zien we afglijdende zandhopen, wegglijdende dijken, lawines, verplaatsing van korrels in een silo, geologische breuken.

Wetenschappers bijten al een tijd hun tanden stuk op deze materie, want het voorspellen en beschrijven van deze bewegingen blijkt heel lastig. De grondslagen zijn bekend: onder invloed van krachten van buitenaf ontstaan in korrelige materialen gebieden waarin de korrels niet bewegen en het materiaal haast vast is. Deze gebieden zijn gescheiden door relatief dunne zones waarin wel beweging kan plaatsvinden, zogenaamde schuifzones.

Dat is mooi te zien door met een lepel in een bak suiker te roeren. Alleen direct rond de lepel bewegen de korrels, verder blijven ze stil liggen. De schuifzones zijn, zo staat in alle handboeken te lezen, bij los materiaal maar vijf tot tien korrels dik, ze worden bepaald door de vorm van de korrels en zijn vaak gelokaliseerd bij de overgang naar een ander materiaal.

Een experiment met bewegend zand in de ‘sand box’ van de faculteit Aardwetenschappen, Vrije Universiteit Amsterdam. De linker wand wordt naar rechts bewogen. Langs schuifzones vormt zich een serie breuken en een ‘gebergte’ ontstaat. Figuur: Fred Beekman

Onderzoek van de Universiteit Leiden zet nu vraagtekens bij de kennis uit de handboeken. Zelfs in een net modelsysteem lijken schuifzones van andere factoren afhankelijk dan altijd was aangenomen, zo constateren Denis Fenistein en Martin van Hecke, verbonden aan het Kamerlingh Onnes Laboratorium van de Leidse universiteit. Zij voeren met steun van de stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) experimenten met korrelige materialen uit om te zien hoe daarin schuifzones ontstaan en hoe ze zich gedragen. In het tijdschrift Nature van 18 september 2003 maken ze hun recente bevindingen wereldkundig.

In de Leidse onderzoeksgroep worden laboratoriumexperimenten met mooie modelsystemen uitgevoerd om te achterhalen hoe granulaire materie precies beweegt. Eén onderwerp van onderzoek is de precieze bepaling van plaats en de dikte van schuifzones in een grote verzameling glazen balletjes met steeds andere doorsnedes en vormen. Het onderzoek gebeurt in een zogeheten Couette-cel, schematisch weergeven in de linker bovenhoek van de illustratie hieronder. Zo’n ‘cel’ is een ronde bak die in het midden rond een cilinder draait. In de cel hebben de onderzoekers de bodem halverwege tussen binnen- en buitenwand gespleten. Ze kunnen nu alleen de buitenste helft van de cel laten rondwentelen. Na het vullen van de cel met een dunne laag glazen balletjes begint het experiment met het in beweging brengen van het buitendeel van de cel. Het resultaat is dat de balletjes aan de binnenwand wrijving ondervinden; ergens in de laag balletjes gaat dat tot een schuifzone leiden. Door de open bovenkant van de cel maken de onderzoekers opnamen met een snelle CCD-camera. Ze herhalen dit met een steeds iets dikker laagje balletjes.

Uit de waarnemingen blijkt dat de schuifzone naar boven toe in de laag balletjes geleidelijk breder wordt, tot wel 50 korreldiameters. Dit is veel meer dan men voor de maximale dikte van zo’n zone eigenlijk altijd aanneemt. Bij de dunste laag balletjes vormt de schuifzone zich precies boven de bodemspleet, maar bij toenemende dikte verplaatste de zone zich steeds meer naar de binnenwand. Dit effect bleek bij alle onderzochte afmetingen en vormen van de balletjes hetzelfde.

De enige factoren die invloed hadden op de positie van de schuifzone bleken de positie van de bodemspleet en de hoogte van de laag balletjes. Dit doet de vraag rijzen of schuifzones wel een echte eigenschap van korrelige materialen zijn, of dat ze vooral afhankelijk zijn van specifieke combinaties van de beweging in en de vorm van het materiaal (stromingsgeometrieën). De onderzoekers zetten daarom vraagtekens bij het voorspellen van ontstaan en gedrag van schuifzones op basis van de inzichten zoals die in de handboeken te vinden zijn.

(a) Schets van de experimentele Couette-cel. De groene bodemplaat en de binnencilinder staan stil, terwijl de grijze bodemplaat en de buitencilinder ronddraaien. Glazen balletjes, hier model voor zand, worden in een vlak laagje tussen binnen- en buitencilinder gestort.(b) Positie van de schuifzone als functie van de hoogte van het vrije zandoppervlak in een dwarsdoorsnede van de cel. Voor dunne laagjes zand (kleine H) is de schuifzone smal en bevindt zich recht boven de bodemspleet, terwijl voor dikkere laagjes de schuifzone steeds breder wordt en zich naar de binnencilinder verplaatst. © Snelheidsprofielen voor hoogtes van 10, 20, 30, 40 en 50 mm (van rechts naar links). Bij hoeksnelheid w=0 staat het zand stil; bij w=1 beweegt het zand mee met buitencilinder. Voor 40 mm is de zone ongeveer 50 korreldiameters breed (in dit voorbeeld is gewerkt met glasballetjes van 0,25 tot 0,40 mm in doorsnede). De grote grafiek in het midden geeft het generieke stromingsprofiel voor hoogtes H waarbij de schuifzone de binnencilinder nog niet raakt. Daarbij blijkt sprake van universele vorm, die te voorschijn komt als je de curves bovenop elkaar schuift en uitrekt. Met andere woorden, als het midden en de breedte van de zones bekend is, dan is het hele snelheidsprofiel bekend. Illustratie: FOMKlik op het plaatje voor een grotere versie.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 18 september 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.