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Schockwellen

Granulat wirbelt wie ein Gas

Von Rainer Scharf

Sand und andere Granulate zeigen ein vielfältiges und bisweilen auch widersprüchliches Verhalten. Feuchter Sand, beispielsweise ist ein festes Material, aus dem man recht stabile Burgen bauen kann. Andererseits können auf Sand errichtete Gebäude bei einem Erdbeben wie in einer Flüssigkeit versinken. Fließende Granulate wiederum ähneln strömenden Gasen. Wissenschaftler der University of Texas in Austin haben jetzt ein weiteres ungewöhnliches Phänomen beobachtet. Wenn ein Granulat ein Hindernis umströmt, dann bilden sich Stoßwellen, wie man es vom Überschallknall eines Düsenflugzeugs kennt.

Die Forscher um Harry Swinney haben als Granulat zahllose rnillimetergroße Stahlkügelchen verwendet, die sie auf einen Keil herabrieseln ließen. Mit einer Videokamera zeichneten sie die Bewegungen der Kugeln auf. Der Keil teilte das mit einer Geschwindigkeit von etwa einem Meter pro Sekunde fallende Granulat in ähnlicher Weise wie die Vorderkante einer Flugzeugtragfläche einen Luftstrom. Die Kugeln wurden dabei dicht zusammengedrängt. Diejenigen, die von den geneigten Seiten des Keils abprallten, kollidierten mit nachkommenden Kugeln. Dadurch bildete sich um den Keil herum eine Schicht, in der sich die Kugeln in komplizierter und unvorhersehbarer Weise bewegten.

Eine genaue Auswertung der Videoaufnahmen ergab, daß der turbulente Bereich in der Nähe der Keilkante von einer Schicht gleichmäßig strömenden Granulats umgeben war. Diese Schicht wurde von den senkrecht herabfallenden Kugeln gebildet. Deren Bewegungsrichtung änderte sich erst weiter stromabwärts durch Kollisionen mit dem Keil oder anderen Kugeln. Zwischen dem turbulenten Bereich und der ungestört strömenden Granulatschicht lag eine scharfe Grenze. Dort änderten sich abrupt die Strömungsgeschwindigkeit und die Dichte der Stahlkügelchen. Es war eine Stoßwelle entstanden, die sich stromabwärts in ähnlicher Weise vom Keil trennte, wie sich der für den Überschallknall verantwortliche Machsche Kegel von einem Düsenflugzeug löst. Die Berechnungen zeigten, daß das herabrieselnde Granulat tatsächlich mit "Überschallgeschwindigkeit" auf den Keil traf. Der "Schall", der Geschwindigkeiten von nur etwa neun Zentimeter pro Sekunde erreichte, breitete sich allerdings nicht in Luft, sondern durch die Zusammenstöße der Kugeln aus.

Während die Atome oder Moleküle in Flüssigkeiten und Gasen elastisch kollidieren, wird beim Zusammenstoß der Granulatpartikeln ein Teil der Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt. Das macht es normalerweise recht schwierig, die Strömung von Granulaten ähnlich präzise zu bestimmen wie Flüssigkeits- oder Gasströmungen. Den Forschern um Swinney ist es nun gelungen, sowohl die Form der Stoßwellen als auch die Strömungsgeschwindigkeit des Granulats in einer Stoßwelle genau so zu berechnen, wie dies auf den Videoaufnahmen zu sehen war ("Physical Review Letter", Bd. 88, Nr. 014302). Da Stoßwellen auch bei der industriellen Verarbeitung und beim Umfüllen von Granulaten auftreten und bisweilen Schäden an Behältern und Silos anrichten, sind die Ergebnisse der amerikanischen Forscher durchaus von praktischem Interesse. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 25.01.2002, Nr. 21 / Seite 46

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