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News: Sand schlägt Wellen

Strömen mehrere fluide Schichten - beispielsweise Luft oder Wasser - mit unterschiedlicher Geschwindigkeit übereinander, so bilden sich an der Grenzfläche Wellen und Verwirbelungen. An granularer Materie, wie etwa Sand, konnte man dieses Phänomen bislang nicht beobachten. Doch unter bestimmten Bedingungen kräuseln sich auch solche Ströme, wie Wissenschaftler nun feststellten.
Welle aus Sand
Zuerst der Bananensaft, dann ein wenig Kirschsaft oben drauf, das Ganze etwas rühren – fertig ist ein leckerer, alkoholfreier Cocktail. Das Getränk schmeckt nicht nur gut, an ihm lassen sich auch strömungsphysikalische Phänomene beobachten. So fließen die beiden Säfte beim Rühren übereinander, bilden dabei gewellte Grenzschichten, bis sie sich schließlich ganz ineinander lösen. Derartige Scherströmungen treten nicht nur bei flüssigen oder gasförmigen Systemen auf, sondern auch bei granularer, körniger Materie. Doch im Gegensatz zur fluiden Materie konnte man hier bislang keine Wellenbildung beobachten.

David Goldfarb, Benjamin Glasser und Troy Shinbrot von der Rutgers University in Piscataway wollten es nun genau wissen: Gibt es diese Wellenstruktur an der Grenzschicht mehrerer granularer Ströme, oder gibt es sie nicht? Dazu experimentierten die Forscher mit allerlei Materialien. Sie verwendeten verschiedenfarbigen Sand – gesiebt und ungesiebt, kleine Glasperlen und schütteten dies alles aus Papp- und Plexiglastrichtern auf Glas- und Plexiglasrutschen, die teilweise mit Schmirgelpapier angeraut waren. Und tatsächlich beobachteten sie die Wellen an der Grenzschicht zwischen zwei Sandströmungen.

Dabei stellten die Forscher fest, dass sich die Wogen höher auftürmten, wenn die Rutsche flacher eingestellt war. Ein steilerer Winkel erzeugte nur ein leicht gewelltes Muster. Ferner beobachteten sie, wie sich die großen Wellen brachen – ganz so wie die Brandung an der Küste. Doch Wirbel entstanden dabei nicht, wie sie sonst bei fluiden Strömungen auftreten. Goldfarb und seine Kollegen versuchten daraufhin, das Verhalten mit einem einfachen Computermodell zu simulieren, und auch das gelang. Die Bilder, die der Rechner lieferte, stimmten erstaunlich gut mit den Aufnahmen überein, die eine Digitalkamera über und unter der durchsichtigen Rutsche schoss.

Die Entdeckung dieser Instabilitäten in granularen Scherströmungen hat nun durchaus weitreichende Bedeutung. So treten ähnliche Prozesse auch bei einem Erdrutsch oder Erdbeben auf. Dank der neuen Ergebnisse lassen sich vielleicht einmal Gleichungen aufstellen, mit denen man diese Phänomene beschreiben und sogar Vorhersagen treffen kann. Schließlich sind die Resultate der Arbeit auch für die pharmazeutische Industrie bedeutsam. Denn bei der Herstellung von Medikamenten werden häufig granulare Inhaltsstoffe verwendet. Kleine Variationen in der Mischung der Wirkstoffe könnten hier gravierende Folgen haben. Dann schon lieber ein Schluck Kirsch-Bananensaft – denn ein bisschen mehr Banane als Kirsch hat wohl noch niemanden gestört.

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