SCHUDDEN, DICHTHEID ÈN LUCHTDRUK BRENGT DE GROTE NOTEN BOVEN

Koop een bakje gemengde noten, schud het geheel en het resultaat is dat de grote noten naar de oppervlakte bewegen terwijl de kleintjes zich op de bodem verzamelen. Hoe komt dat? Al sinds de jaren hebben fysici verklaringen geopperd voor dit Brasil nut effect. Het schudden zou ertoe leiden dat kleine noten in de holtes onder de grote noten vallen. Ook is gesuggereerd dat er in de schuddende bak noten convectie optreedt (vergelijk de convectie in een pan kokend water) waardoor groot én klein omhoog beweegt, waarna de grote jongens aan de oppervlakte `vastlopen' omdat alleen de kleintjes in de relatief smalle omlaaggerichte stroom langs de wanden naar beneden kunnen. Bovendien wees een computersimulatie uit dat van een Brasil nut effect helemaal geen sprake is wanneer de grotere deeltjes te zwaar zijn: dan zakken ze bij het schudden juist naar beneden.

Onjuist is dat allemaal niet, maar het laatste woord over deze kwestie is nog niet gezegd. Deze week komen onderzoekers van de Universiteit van Chicago in Nature (15 november) met experimentele resultaten waaruit blijkt dat de zaken ingewikkelder liggen dan gedacht. Ook interactie tussen de lucht en de kleine noten speelt een rol bij de segregatie. De stijgsnelheid van de noten hangt niet alleen af van zijn omvang, ook de dichtheid (soortelijk gewicht) speelt een rol.

In het experiment werd gebruik gemaakt van een cilinder gevuld met kraaltjes van glas (0,5 mm) of met maanzaad. Aan die `achtergrond' werden indringers van een groter formaat toegevoegd: holle plastic bollen van diverse grootte, waarvan de dichtheid viel te variëren door als vulling piepschuim dan wel loodkorrels te nemen. Vervolgens werd de cilinder vertikaal geschud (13 hertz) en werd de tijdsduur gemeten die een indringer nodig had om zich van halve hoogte naar boven te bewegen. De proeven uitgevoerd bij gewone luchtdruk (76 torr) en bij een van 90 torr.

De uitkomst was dat een indringer (met een vaste omvang) met de helft van de dichtheid als de achtergrondkorrels er het langst over doet om de top te bereiken. Heeft hij een lichte of zware vulling, dan stijgt hij sneller. Met een extreem zware vulling komt hij natuurlijk niet omhoog, maar in dit onderzoek was de maximale dichtheid drie keer die van de `achtergrond'. Die kwam nog vlot omhoog. Het maximum in de stijgtijd was niet verwacht. Tevens concludeerden de Amerikanen uit hun metingen dat ook de interactie tussen lucht en de kleinere deeltjes van belang is. Bij grotere luchtdruk verschijft het maximum naar een dichtheid van de indringer die méér dan twee keer zo klein is dan de korrels van de achtergrond.

De conclusie is dat het Brasil nut effect neerkomt op een subtiel samenspel tussen convectie als gevolg van het schudden, de heersende luchtdruk en de beweging van de grote noten. Maar hoe deze huis-tuin-en-keukenfysica precies in elkaar steekt, blijft onduidelijk.

    • Dirk van Delft