Je leest:

Zwevende korrels

Zwevende korrels

Auteur: | 12 december 2005

Grove korrels gedragen zich soms nét als water. Onderzoekers van de Universiteit Twente, onder leiding van Spinozapremie-winnaar Detlef Lohse, lieten dat zien door met stuiterende glasbolletjes een cluster van korrels zwevend te houden. Het team publiceert over haar vondst in de Physical Review Letters van 16 december.

Wat heeft water met glazen korreltjes te maken? Verrassend veel, volgens de Physics of Fluids-groep van de Universiteit Twente. Onder leiding van Spinozaprijs-winnaar Detlef Lohse onderzochten Peter Eshuis, Ko van der Weele en Devaraj van der Meer of korrelige materialen ( granulaire materie) als zand of suiker net als vloeistoffen een Leidenfrost-effect kennen. In hun artikel in de Physical Review Letters van 16 december beschrijven de Twentenaren hoe ook korrels een ‘zwevende druppel’ kunnen vormen.

Bij een juiste combinatie van de hoeveelheid glasbolletjes en trilkracht van de bodemplaat in de hier gefotografeerde opstelling gaat een groot deel van de bolletjes als één samenhangende laag zweven. In de vloeistofleer staat dit bekend als het Leidenfrost-effect (zie kader). bron: Vakgroep Physics of Fluids, Universiteit Twente. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

FOM-onderzoeker Peter Eshuis en collega’s schudden hun glazen bolletjes van 4mm dik met een vibrerende plaat op en neer. Die plaat maakt tussen de 80 en 100 trillingen per seconde. De trilling versnelt de korrels met tientallen g’s: één g is gelijk aan de aardse zwaartekracht op zeeniveau. “In dit experiment wekten we versnellingen op tussen 35 en 110 g”, vertelt Eshuis. “Het effect begint omstreeks 30 à 35 g en is echt duidelijk te zien boven de 80 g.”

De plaat trilt zó snel, dat de glasbolletjes geen tijd hebben om tussen twee trillingen naar beneden te vallen. Bij 35 g begon een compacte laag van tegen elkaar geduwde balletjes boven de trilplaat te zweven – de korrelige tegenhanger van een druppel vloeistof. De individuele trillingen van de bodemplaat zijn niet meer terug te zien in de beweging van de zwevende laag. Met een snelle camera wist het team de beweging vast te leggen.

“Prachtig resultaat”, vindt Eshuis. “In de granulaire onderzoekswereld probeer je altijd wetten uit de vloeistofleer toe te passen. Meestal werken die niet meer als de korrels beginnen te klonteren. In ons experiment past de hydrodynamica juist prima: zo’n zwevende laag is net een waterdruppel in het Leidenfrost-effect.”

In een hete pan van tenminste 220 oC verdampt een waterdruppel langzamer dan bij temperaturen vlak boven het kookpunt. Dat komt door het Leidenfrost-effect, voor het eerst in 1756 verklaard door de Duitser Johann Gottlob Leidenfrost. In een gloeiend hete koekenpan verdampt de onderkant van een waterdruppel in een oogwenk, waardoor de rest van de druppel veilig op een isolerend luchtlaagje zweeft. De druppel schaatst dan rond in de pan en kan dat wel minuten lang volhouden. ‘Koudere’ pannen die maar iets boven het kookpunt zitten veroorzaken geen damplaag: een waterdruppel blijft direct in contact met de pan en verdampt daardoor juist in een oogwenk.

Jearl Walker van de Cleveland State University (V.S.) gebruikt het Leidenfrost-effect om zijn hand – beschermd door een dun waterlaagje – in gesmolten lood te dopen en ongeschonden eruit te halen. Nee, niet thuis proberen. Of waar dan ook. bron: Cleveland State University

Een zwevende waterdruppel kan iedereen in een koekenpan zien (goed verwarmen en niet zonder begeleiding van ouders of leraren uitvoeren!), maar de spectaculairste demonstratie van het Leidenfrost-effect komt van de hoogleraar Jearl Walker van de Cleveland State University (V.S.) Hij gebruikt het verschijnsel om zijn hand “ongeschonden” in gesmolten lood te dopen. Walker heeft na zijn talloze collegedemonstraties brandwonden over zijn armen en in zijn gezicht, en liep door gorgelen met vloeibare stikstof (- 196 oC) permanente gebitsschade op, maar gaat vastberaden door met zijn experimenten. Zijn studenten zijn wild enthousiast…

Damplagen

De analogie met een zwevende waterdruppel gaat prachtig op voor het korrelige materiaal op de Twentse trilplaat. Terwijl het vloeistoflaagje rustig boven de trilplaat zweeft moet de energie van de wild rammelende trilplaat érgens naartoe. Die energie zit voornamelijk in twee verschillende lagen van heftig stuiterende glasbollen. Vlak boven de trilplaat kaatsen met hoge snelheid bolletjes rond die de vloeistoflaag door hun eindeloze zetjes omhoog houden. De vloeistoflaag geeft op zijn beurt de botsingsenergie verder door naar boven: de bovenkant van de vloeistoflaag ‘verdampt’ door al het geweld in een tweede laag stuiterballen.

Leidenfrost-effect bij een waterdruppel boven een hete plaat. De onderkant van de druppel verdampt door de hitte en vormt een isolerend luchtkussen. De rest van de druppel wordt daardoor afgeschermd van de plaat en kan het minutenlang uithouden – veel langer dan in direct contact met een minder warme bodem! bron: Jearl Walker, Cleveland State University.

Dat Eshuis en zijn collega’s een vloeistofverschijnsel hebben gevonden in korrelig materiaal, betekent niet dat zand, suiker en andere korrels zich altíjd als water gedragen. Denk aan de manier waarop een zandberg inééns afkalft als er een paar korrels op de top vallen, of aan een gladde stroom korrels die vast komt te zitten in een nauwe doorgang. Granulaire materie heeft zo zijn eigenaardigheden.

“In de industrie worden apparaten die veel korrels verstouwen gebouwd op ervaring”, vertelt Eshuis. Als wetenschapper zoekt hij zelf juist naar een fundamentele verklaring om grip te krijgen op de korrels. Het onderzoeksgebied, dat in de late jaren ’80 op gang kwam, groeit nog steeds exponentieel: er is genoeg te onderzoeken, of je nou naar schuddende, spuitende of schuivende korrels kijkt.

Een balletje met een massa van 133 gram valt, rakend aan het oppervlak, naar beneden en zinkt onmiddellijk in het zand weg. Na ongeveer 130 microseconden verschijnt een zandstraaltje (een jet) dat zijn maximale hoogte ongeveer 50 microseconden later bereikt. Na ongeveer 600 milliseconden bereiken ingesloten luchtbelletjes het oppervlak. bron: Vakgroep Physics of Fluids, Universiteit Twente. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

“In vergelijking met de 1025 watermoleculen per liter zitten er maar weinig korrels in een korrelstroom”, zegt Eshuis, wiens bijdrage wordt gesponsord door natuurkunde-stichting FOM. “Daarom zijn de afzonderlijke deeltjes veel belangrijker voor het eindgedrag dan in een vloeistof.” Experts op korrelgebied lenen wel ideeën uit de vloeistofleer, maar moeten die telkens aanpassen aan hun eigen vakgebied.

Het is hoe dan ook onderzoek voor mensen die van sleutelen houden: in het trilexperiment van Eshuis en collega’s zitten allerlei foefjes verstopt. De glazen balletjes zijn stevig genoeg om niet te breken of schilferen, maar worden om de paar proeven verwisseld omdat ze bekrast raken. Het team zóu ook metalen balletjes kunnen gebruiken, maar die werden magnetisch geladen door de trilmachine. Daarom is er gekozen voor glasdeeltjes.

Eshuis: “Ook de glazen bolletjes hebben zo hun kuren. Als ze lang genoeg trillen bouwt zich statische elektriciteit op.” Daardoor stoten ze elkaar af, wat het experiment verstoort: als je het apparaat uitzet blijven er ineens een paar bolletjes zweven door elektrische afstoting. “Een ongeschreven maar veel gebruikte truuk: even in de bak ademen. De lucht uit je longen is precies vochtig genoeg om de lading weg te geleiden van de bolletjes.”

Korrels stromen niet gelijkmatig, zoals een vloeistof, maar komen schokkerig in beweging. Afglijdende zandhopen, wegglijdende dijken, lawines, verplaatsing van korrels in een silo en geologische breuken zijn daar allemaal voorbeelden van. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Afvalscheiding

Toepassingen voor onderzoek aan grofkorrelig materiaal zijn snel gevonden. Eerder onderzoek van Lohse is bijvoorbeeld gebruikt om afvalverwerking letterlijk te stroomlijnen. Peter Rem, hoofddocent grondstoffentechnologie aan de TU Delft, heeft op basis van het onderzoek samen met het Amsterdamse Afval Energie Bedrijf (AEB) een verbeterde afvalsorteerder ontworpen. Die loopt minder snel vast door samengeklonterde stukken afval en kan daardoor sneller én efficiënter schadelijke stoffen uit huisvuil filteren.

Het Leidenfrost-effect komt óók voor bij schuivende lagen zand op een helling, weet Eshuis. Aan het eind van de helling kan een compacte stroom ontstaan die over een veel luchtiger laag beweegt; eigenlijk hetzelfde als de zwevende laag korrels in het Twentse experiment. Teken van een onderliggende wetmatigheid? Het is nog niet duidelijk.

“Er is nog zóveel te onderzoeken”, meldt Eshuis tevreden: “Allemaal zaken die we nog niet begrijpen. En als een onderzoeker iets ziet wat hij niet begrijpt, duikt hij er bovenop.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 12 december 2005

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.