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Plötzliches Ende eines Clusters

Von Rainer Scharf

Sand und anderen Granulaten bilden sich häufig Cluster und Klumpen. Da dies den Transport und die Verarbeitung von Granulaten erheblich behindert, entstehen der Industrie oft große Schäden. Doch bisweilen lösen sich solche Cluster ganz plötzlich von selbst wieder auf, wie Forscher der Universität Twente in den Niederlanden an einem Modellsystem beobachtet haben.

Als Granulat benutzten Detlef Lohse und seine Kollegen einige hundert Stahlkügelchen in einem Plastikbehälter. Der Behälter war durch kleine Barrieren in gleichgroße, in einer Reihe nebeneinander liegende Fächer geteilt. Mit einem Motor wurde der Behälter auf und ab geschüttelt, und zwar um so heftiger, je höher die gewählte Schüttelfrequenz war. Die Stahlkugeln gerieten daraufhin in Bewegung und flogen umher wie Gasmoleküle. So konnten sie die Barrieren überwinden und von einem Fach ins andere gelangen.

Wurde der Behälter heftig genug geschüttelt, verteilten sich die Kugeln gleichmäßig auf alle Fächer. Schüttelte man den Behälter dann wieder etwas weniger stark, so sammelten sich die Kugeln zunächst in einigen Fächern an. Dafür gibt es eine einfache Erklärung: Je mehr Kugeln in ein Fach geraten sind, um so häufiger kollidieren sie miteinander. Die Kollisionen verringern die Bewegungsenergie der Kugeln, für die es daraufhin immer schwieriger wird, die Barrieren zu überwinden und das Fach zu verlassen. Die Forscher konnten beobachten, wie sich schließlich fast alle Kugeln in einem Fach sammelten (s. Bild 1): Ein stabiler Cluster war entstanden.

Als der Behälter anschließend wieder heftiger geschüttelt wurde, blieben die meisten Kugeln zunächst noch in dem überfüllten Fach gefangen. Nur wenige Kugeln erhielten durch das Schütteln so viel Bewegungsenergie, dass sie die Barrieren überwinden konnten. Die Zahl der Kugeln in dem Fach nahm deshalb zunächst nur langsam ab. Doch plötzlich und von einer Sekunde auf die andere entwichen fast alle Kugeln aus dem Fach und der Cluster löste sich auf (s. Bild 2). Was war geschehen?

Zunächst entwichen nur wenige Kugeln aus dem vollen Fach. Die zurückbleibenden Kugeln gewannen dadurch eine größere Bewegungsfreiheit und stießen nicht mehr so oft miteinander zusammen. Daraufhin wuchs ihre Bewegungsenergie an und weitere Kugeln konnten das Abteil verlassen. Schließlich kam es zu dem lawinenartigen Entweichen aller Kugeln.

Wenn man den Film von der plötzlichen Auflösung eines Clusters (Movie 2, mpg-Format, 1.7 MB!) rückwärts laufen lässt, dann sieht man einen Vorgang, der sich deutlich von der langsamen Entstehung des Clusters (Movie 1, mpg-Format, 1.7 MB!) unterscheidet. Offensichtlich besitzt die Dynamik des Granulats keine Zeitumkehrsymmetrie. Hierfür sind die inelastischen Kollisionen der Kugeln verantwortlich, bei denen mit fortschreitender Zeit Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt wird.

Die Forscher in Twente haben eine Theorie entwickelt, die die Entstehung und Auflösung von Clustern detailliert beschreibt und mit den Beobachtungen in Einklang steht. In weiteren Experimenten wollen sie untersuchen, wie sich das Granulat in einem schachbrettartigen Fächerkasten - also in zwei Dimensionen - bewegt und wie es eine Treppe von Fächern hinabströmt. 

Quelle
D. van der Meer et al. Sudden Collaps of a Granular Cluster. Phys. Rev. Lett. 88, 174302 (2002).
http://link.aps.org/abstract/PRL/v88/e174302

Weitere Information
http://stilton.tnw.utwente.nl/people/rene/GranularIndex.html

Kontakt
Detlef Lohse: http://www.tn.utwente.nl/pof/people/staff/detlef.html
Devaraj van der Meer: http://www.tn.utwente.nl/pof/people/staff/devaraj.html
Ko van der Weele: http://www.tn.utwente.nl/pof/people/staff/ko.html

pro-physik.de v. 2.5.2002

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