211service.com
Het mysterie van zandstroom door een zandloper
Natuurkundigen weten al lang dat de stroom van zand door een zandloper heel anders is dan de stroom van vloeistof. In het geval van een vloeistof is de afvoersnelheid afhankelijk van de druk bij de opening die wordt bepaald door de hoogte van de vloeistof erboven.
Maar de dingen zijn anders in granulaire media. In 1895 ontdekte een Duitse ingenieur, Janssen genaamd, dat de druk op de bodem van een container met korrels niet afhankelijk is van de hoogte van de korrels erboven. Hij redeneerde dat de korrels kettingen en bruggen vormen die hun gewicht overbrengen naar de zijkant van de container waar ze door wrijving worden ondersteund. Dus de druk neemt asymptotisch toe met de diepte tot een drempel.
Als de hoogte van de korrels twee keer zo groot is als de breedte van de container, is de druk op de bodem feitelijk constant. Het is deze constante bodemdruk waarvan Janssen en anderen altijd hebben aangenomen dat deze de massastroom uit de opening in een zandloper bepaalt.
Niet zo, zeggen Maria Aguirre van de Universiteit van Buenos Aires in Argentinië en een paar vrienden die een experiment hebben uitgevoerd om dit idee te testen.
Hun idee is om de zwaartekracht uit de vergelijking te halen door de korrels, of in dit geval kleine schijfjes, op een transportband te plaatsen die ze door een opening voert (zie bovenstaande afbeelding). Hierdoor kunnen ze de uitgangssnelheid van de schijven door de opening veranderen door de snelheid van de band te veranderen.
De resultaten zorgen voor een verrassing: ze laten zien dat het mogelijk is om met dezelfde bodemdruk verschillende stroomsnelheden te krijgen door simpelweg de snelheid van de transportband te veranderen. Dat betekent dat het de snelheid van de schijven is die het debiet bepaalt, niet de bodemdruk.
Dat is een subtiel maar belangrijk resultaat. Het effect van Janssen wordt al meer dan 50 jaar in detail bestudeerd zonder dat iemand de achterliggende gedachte in twijfel trekt.
En het kan interessante praktische toepassingen hebben. Het nieuwe werk suggereert dat het mogelijk moet zijn om de stroom van deeltjes door een opening te vergroten door hun snelheid erdoorheen te vergroten. Dat kan bijvoorbeeld met elektrische velden, of met vaste of vloeibare transportbanden zoals die van het Argentijnse team.
Dat zou handig moeten zijn in de vele industrieën waar deeltjes op een herhaalbare manier met elkaar moeten worden gemengd, zoals de voedsel-, medicijnen- en bouwindustrie.
Maar voor degenen die zich zorgen maken over zachtgekookte eieren, zou het de zandstroom door een zandloper niet moeten beïnvloeden.
Referentie: arxiv.org/abs/1005.2884 : Drukonafhankelijkheid van granulaire stroom door een opening