Wenn man ein Glas Wein im Uhrzeigersinn schwenkt, wird sich der Wein darin ebenso im Uhrzeigersinn drehen. Aber wenn man einen Blaubeer-Pfannkuchen macht und die Pfanne im Uhrzeigersinn schwenkt, wird sich der Pfannkuchen gegen den Uhrzeigersinn drehen. Glauben Sie nicht? Versuchen Sie es.
Dasselbe passiert mit einem Glas voller Kügelchen. Ein paar Perlen werden im Uhrzeigersinn rotieren, wenn das Glas im Uhrzeigersinn geschwenkt wird. Viele Perlen in einem Glas werden sich jedoch gegen den Uhrzeigersinn drehen, wenn das Glas im Uhrzeigersinn geschwenkt wird.
“Das ist ein wirklich überraschendes Verhalten, weil dies im Gegensatz zu Wein und Pfannkuchen genau dieselben Objekte in genau der gleichen Situation sind”, sagte Lisa Lee, Doktorandin für angewandte Physik an der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).
Lee und der Rest des Forschungsteams wollten physikalisch verstehen, warum sich Ansammlungen von Teilchen so verhalten. Wie sich herausstellte, geht es nur um Reibung. Die Forschungsarbeit wurde im Journal Physical Review E veröffentlicht. Eine Ansammlung von Kügelchen gehört zu einer Materialklasse, die als Granulat bezeichnet wird – also eine Ansammlung makroskopischer Teilchen wie Sand, Schnee oder eine Dose Nüsse.
Der Grund dafür, dass Wein im Uhrzeigersinn rotiert, wenn er im Uhrzeigersinn geschwenkt wird und Pfannkuchen sich gegen den Uhrzeigersinn drehen, ist dass Wein eine Flüssigkeit ist (ähnlich wie ein Granulat bei geringer Reibung). Ein Pfannkuchen dagegen ist ein Festkörper (ähnlich wie ein Granulat bei hoher Reibung). Wenn eine Pfannkuchenpfanne geschwenkt wird, werden die Ränder des Pfannkuchens auf die Ränder der Pfanne treffen und das leckere Frühstücksessen in die entgegengesetzte Richtung drehen.
“Ansammlungen von makroskopischen Teilchen sind sehr interessant, weil sie sich abhängig von ihren Zuständen wie eine Flüssigkeit oder wie ein Festkörper verhalten können”, sagte Lee. “Sand in einer Sanduhr fließt beispielsweise wie eine Flüssigkeit, aber Sand an einem Strand verhält sich wie ein Festkörper und stützt Ihr Gewicht.” Wie diese Objekte vom “flüssigen” in den “festen” Zustand übergehen, ist seit Jahrzehnten eine offene Frage.
Lee und das Forschungsteam stellten fest, dass kleine Gruppen von Perlen eine geringere effektive Reibung hatten als größere Gruppen, was in dem Übergang von “flüssig” zu “fest” resultierte. “Ein Teilchen, das in eine Richtung rollt, erfährt sehr wenig Reibung”, sagte Lee. “Aber viele Teilchen, die in gleiche Richtung rollen, jedes in Kontakt mit anderen, erfahren viel Reibung. Das lässt die Gruppe fester werden und ihr Verhalten ändern.”
Wie ein Pfannkuchen stößt diese feste Gruppe sich drehender Teilchen an die Ränder ihres Gefäßes und beginnt in die entgegengesetzte Richtung zu rotieren. Unter Verwendung einer Computersimulation demonstrierten Lee und ihre Co-Autoren John Paul Ryan und Miranda Holmes-Cerfon, dass sich die Teilchen nach der Entfernung jeglicher Reibung niemals verfestigten, egal wie viele es waren. Wenn die Teilchen rauer waren, gingen sie schneller vom flüssigen in den festen Zustand über.
Video-Link: https://youtu.be/TwqnNJ1pPJM
“Dieses Experiment ist ein interessanter Fall eines systemweiten Verhaltens, das aus den lokalen Interaktionen einzelner Elemente hervorgeht”, sagte Shmuel Rubinstein, außerordentlicher Professor für angewandte Physik am SEAS und Senior-Autor der Studie. Das Auftreten einer kohärenten Zirkulation ist von großem Interesse, zum Beispiel im Fall von zweidimensionalen Turbulenzen. Es ist toll, dass vergleichbare physikalische Vorgänge auch trivial mit einem Teller und einer Handvoll Murmeln veranschaulicht werden können.”
An dieser Studie wirkte auch Yoav Lahini als Co-Autor mit. Sie wurde von der National Science Foundation, dem US Department of Energy, dem Office of Science, dem Office of Advanced Scientific Computing Research und dem Applied Mathematics Program unterstützt.
(THK)
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