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Granular Weissenberg Effect

Subject Area Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
Experimental Condensed Matter Physics
Term from 2019 to 2025
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 424177218
 
Final Report Year 2024

Final Report Abstract

Das Projekt hatte zum Ziel die experimentelle Untersuchung granularer Ensembles unter Scherung. Der Fokus sollte dabei auf einem von uns vorher gefundenen Effekt liegen, der Induktion einer sekundären Strömung durch die Scherbewegung sowie die dadurch sich ausbildende charakteristische Veränderung des Oberflächenprofils in einer Split-bottom-Zelle. Der ursprüngliche Arbeitsplan musste infolge zweier nicht vom Projektleiter zu verantwortender Umstände teilweise modifiziert und angepasst werden: Einschränkungen bei Reisen, Kontakten und Labornutzung waren die Folge der weltweiten Pandemie. Darüber hinaus fiel Projektwissenschaftler mehrfach langfristig auf Grund seiner schweren Erkrankung aus. Es wurden trotz dieser Probleme sieben Publikationen in Fachjournalen mit Gutachtersystem veröffentlicht, zwei weitere sind in Vorbereitung, und im Rahmen des Projektes entstand eine Masterarbeit. Folgende Themen wurden bearbeitet und führten zu publizierten Ergebnissen: Nachdem in den vorigen Experimenten Kugeln sowie längliche und abgeplattete axialsymmetrische Objekte untersucht worden waren, haben wir die Experimente auf nichtkonvexe Formen ausgedehnt. Es zeigt sich, dass die hervorgerufene sekundäre Strömung sowie die Veränderung des Oberflächenprofiles für Raumkreuze qualitativ sehr verschieden von der in den bisher untersuchten Systemen ist. Tatsächlich kehrt sich die Sekundärströmung sogar um. Es wurde eine Publikation dazu veröffentlicht (Mohammadi2020, [A1]), eine weitere ist in Vorbereitung [A9]. Die Experimente mit der einfachen Scherzelle wurden auf weiche Körper mit extrem geringen Reibungskoeffizienten (Hydrogel-Kugeln) erweitert, nachdem sich in vorherigen Untersuchungen gezeigt hatte, dass das dynamische Verhalten solcher Objekte qualitativ stark vom Verhalten starrer, reibender Kugeln abweicht. Für die dafür geplanten 3D-bildgebenden MRI- Experimente wurde ein spezielles Markierungsverfahren entwickelt, das die Verfolgung einzelner Partikel oder Muster in aufeinanderfolgenden Tomogrammen erlaubt. Dieses sowie die beobachteten Auswirkungen auf die Scherzonengeometrie in verschiedenen Ensembles weicher Granulate (trocken bzw. eingebettet in eine Flüssigkeit) sind in einer Publikation (Wang 2022, [A7]) beschrieben. Die MRI-Methode wurde für weitere Untersuchungen zu nichtlokalen Effekten in gescherten Granulaten eingesetzt (Farmani 2023). Die Scherzonengeometrie wurde für ein weiteres Experiment wesentlich modifiziert, um die Einflüsse der Krümmung der entstehenden Zonen zu separieren. Die von uns entwickelte Doppel-Scherzelle funktioniert ähnlich der Split-Bottom-Zelle, wobei die rotierende Bodenscheibe durch einen beweglichen Ring ersetzt wurde. Es wurden Experimente mit kugelförmigen und länglichen granularen Partikeln durchgeführt, die Aussagen zur Wechselwirkung benachbarter paralleler Scherzonen sowie zum Einfluss der verschiedenen Formen von Partikeln liefern. Die Publikation dazu ist in Fertigstellung (Trittel 2024, [A10]). Weitere Experimente, die ursprünglich nicht im Projektantrag geplant waren, aber im Zusammenhang damit stehen, wurden während der Jahre der Pandemie durchgeführt. Wesentliches Kriterium für die Auswahl war die Durchführbarkeit unter den Bedingungen der Quarantäne und der Shutdowns. Im Rahmen einer Bachelorarbeit wurden die regulären und zufälligen 2D- Packungen nichtkonvexer Partikel (flache Kreuze unterschiedlicher Aspektverhältnisse) bestimmt und charakterisiert, insbesondere in Bezug auf Nahordnung der Positionen und Orientierungen der Einzelpartikel. Die Ergebnisse dieser Studie sind in einer Publikation dargestellt (Stannarius 2022, [A4]) und bilden den Hauptbestandteil einer Masterarbeit (Schulze 2022, [A8]). Weitere während der Corona-Isolation durchgeführte Untersuchungen betrafen frustrierte Packungen von Kugeln. Hier wurde unmittelbar davon profitiert, dass die Apparaturen für diese Untersuchungen bereits existierten und genutzt werden konnten, dass experimentelle Daten schon vorhanden waren bzw. numerische Simulationen im Home-Office durchgeführt werden konnten. Ein Ergebnis dieser Arbeiten ist die Erweiterung der bekannten Methode der Visualisierung von Kraftketten von Scheiben auf spannungsdoppelbrechende Kugeln (Fischer 2021, [A5]). Physikalisch konnten in dieser Publikation der Janssen-Effekt in einem Granulat- Ensemble mit Auftrieb sowie Unterschiede der Kraftnetzwerke zwischen regulären und frustrierten Packungen aufgeklärt werden. In einer weiteren Publikation (Lévay 2021, [A6]) wurden Experimente und numerische Simulation zur Überprüfung des Edwards-Modells zusammengestellt. Dieses befasst sich mit der Entropie ungeordneter granularer Packungen. Ein letzter Komplex von Experimenten betraf das Verhalten einfacher aktiver und passiver Modellpartikel, die mittels eines vibrierenden Tisches angeregt werden. Wir haben für beide Typen von Partikeln die Passage durch eine enge Öffnung quantitativ analysiert und verglichen. Charakteristische Exponenten und die Abhängigkeit von der relativen Öffnungsbreite wurden bestimmt und im Verhältnis zu anderen, komplexeren Systemen wie der Evakuierungsdynamik von Personen oder dem Verhalten von Herdentieren diskutiert (Mohammadi 2020 und 2021, [A2,A3]). Diese Experimente wurden in einer Zeit durchgeführt, in der der ursprüngliche Projektwissenschaftler längerfristig erkrankt war und aufgrund der pandemischen Situation eine Vertretung nur durch eine bereits in der Gruppe arbeitende Wissenschaftlerin realisierbar war. Insgesamt ist eine ganze Reihe der ursprünglich geplanten Arbeiten erfolgreich durchgeführt und abgeschlossen worden, einige der geplanten Untersuchungen konnten aber wegen der oben genannten Probleme nicht in Angriff genommen oder noch nicht vollständig abgeschlossen werden. Dafür wurden andere, unter den gegebenen äußeren Umständen realisierbare Forschungsthemen in das Arbeitsprogramm aufgenommen und erfolgreich abgeschlossen. Zusammengefasst erscheint der wissenschaftliche Ertrag als angemessen, so dass aus Sicht des Projektleiters das Projekt insgesamt als sehr erfolgreich angesehen wird.

Publications

 
 

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