Inslag in zandkorrels geeft flitseffect

Bronzen schijf (donkere, halve cirkel boven in beeld) valt in een bak met plastic korrels. De zich razendsnel verspreidende krachten zijn in beeld gebracht, en lijken op de wortels van een boom. Foto Abe Clark et.al.

Als een projectiel landt in een korrelig materiaal als zand, worden de krachten verspreid in een snel wisselend patroon, dat doet denken aan bliksemschichten, een vertakkende rivier of de wortels van een boom.

Dat laat een elegant experiment zien waarbij een cilinder valt in een bed van plastic korrels die licht geven als ze onder spanning staan. Abe Clark van Duke University in North Carolina en collega’s maakten hoge-snelheidsopnamen (40 duizend beelden per seconde) van zulke korrels, opgestapeld in een spleet tussen twee plexiglazen platen.

Van boven lieten ze daar bronzen schijven tot 2,7 kilo op vallen, beschreven ze in het vakblad Physical Review Letters.

Het was al langer bekend dat in zand en andere korrelige materialen zoals poeders of grind, mechanische krachten zich verspreiden via krachtketens. Dat zijn lange, eendimensionale slierten van deeltjes die tegen elkaar aandrukken, waarbij de naburige deeltjes ongemoeid blijven.

De opnames laten zien hoe de krachtketens zich razendsnel vormen aan de rand van de binnenvallende schijf, hoe ze zich vertakken in de diepere lagen, om na een milliseconde weer te vervagen. In vloeistoffen of vaste stoffen levert de inslag van een projectiel juist continue, parallel uitwaaierende schokgolven op.

De snel fluctuerende vertakkingen helpen de klap efficiënt te verdelen over alle korrels. Om te onderzoeken hoeveel van de inslagenergie de krachtketens absorberen, maten de onderzoekers hoe snel het projectiel van moment tot moment afremde. Die vertraging liep precies in de pas met de hoeveelheid licht op de beeldjes, en dus met de hoeveelheid spanning in de krachtketens.

Dat wijst erop dat de krachtketens vrijwel al het afremwerk voor hun rekening nemen, en dat bijvoorbeeld wrijving tussen schijf en korrels er nauwelijks toe doet.

Krachtketens spelen een hoofdrol in het raadselachtige half-vloeibare, half-vaste karakter van korrelmaterialen. Suiker kan als een vloeistof stromen van voorraadbus naar suikerpot, maar blijft dan steken als een vaste stof, om vervolgens weer onvoorspelbaar los te schieten.

Wegens het matige begrip van korrelmaterialen zijn volgens de auteurs industriële installaties als silo’s of lopende banden inefficiënt ontworpen, terwijl ze toch regelmatig instorten of op andere manieren falen.

    • Bruno van Wayenburg