Print deze pagina 18 september 2003 2003/11

Schuifzones in korrelige materialen lijken anders dan gedacht

De recente dijkafschuivingen in Wilnis en langs de Rotte hebben de vraag heel actueel gemaakt hoe korrelig bodemmateriaal beweegt. Uit de berichtgeving viel op te maken dat er nog weinig inzicht in het gedrag van dit soort materie is. Aan de Universiteit Leiden doen natuurkundigen experimenten met korrelige materialen om te zien hoe daarin schuifzones ontstaan en hoe ze zich gedragen. Zelfs in een net modelsysteem lijken schuifzones van andere factoren afhankelijk dan in alle tekstboeken staat, zo constateren FOM-postdoc Denis Fenistein en Martin van Hecke, verbonden aan het Kamerlingh Onnes Laboratorium van de Leidse universiteit. Zij rapporteren over hun experimenten in de Nature van 18 september 2003.

Bodemmateriaal is een voorbeeld van wat met een verzamelnaam granulaire materie heet. Het rijtje met alledaagse materialen is moeiteloos uit te breiden: suiker, zand, rotsblokken, sneeuw, synthetische korrels, colloïden, emulsies. Granulaire materie geniet sinds kort toenemende belangstelling van natuurkundigen. In de onderzoeksgroep van Martin van Hecke worden laboratoriumexperimenten met mooie modelsystemen uitgevoerd om te achterhalen hoe granulaire materie precies beweegt. In de regel spelen deze bewegingen zich af op dunne zones. Dat is mooi te zien door met een lepel in een bak suiker te roeren. Alleen direct rond de lepel bewegen de korrels, verder blijven ze stil liggen. De bewegende korrels vormen een zogeheten schuifzone. Dergelijke zones zijn, zo staat in alle handboeken te lezen, bij los materiaal maar vijf tot tien korrels dik, ze worden bepaald door de vorm van de korrels en zijn vaak gelokaliseerd bij de overgang naar een ander materiaal. Als korrelig materiaal in beweging komt zien we afglijdende zandhopen, wegglijdende dijken, lawines, verplaatsing van korrels in een silo, geologische breuken. Het voorspellen en beschrijven van deze bewegingen blijkt heel lastig.

Schuifzones maken in het laboratorium
Eén onderwerp van onderzoek in Leiden is precies de plaats en de dikte te bepalen van schuifzones in een grote verzameling glazen balletjes met steeds andere doorsnedes en vormen. Daartoe gebruiken de onderzoekers een zogeheten Couette-cel. Dat is een ronde bak die in het midden rond een cilinder draait. In de cel hebben de onderzoekers de bodem halverwege tussen binnen- en buitenwand gespleten. Ze kunnen nu alleen de buitenste helft van de cel laten rondwentelen. Daarna vullen ze de cel met een dunne laag glazen balletjes en zetten het buitendeel in beweging. Het resultaat is dat de balletjes aan de binnenwand wrijving ondervinden; ergens in de laag balletjes gaat dat tot een schuifzone leiden. Door de open bovenkant van de cel maken de onderzoekers opnamen met een snelle CCD-camera. Ze herhalen dit met een steeds iets dikker laagje balletjes.

Schuifzones wel echte eigenschap van korrelige materialen?
Uit de waarnemingen blijkt dat de schuifzone met toenemende dikte van de laag balletjes geleidelijk breder wordt, tot wel 50 korreldiameters. Dit is veel meer dan gewoonlijk voor de maximale dikte van zo'n zone wordt aangenomen. Bij de dunste laag balletjes vormde de schuifzone zich precies boven de bodemspleet, maar bij toenemende dikte verplaatste de zone zich steeds meer naar de binnenwand. Het gedrag was identiek bij verschillende afmetingen en vormen van de balletjes. De enige factoren die invloed hadden op de plaats waar het hart van de schuifzone kwam te liggen bleken de positie van de bodemspleet en de hoogte van de laag balletjes te zijn. Dit doet de vraag rijzen of schuifzones een echte eigenschap van korrelige materialen zijn of afhankelijk zijn van specifieke combinaties van beweging in en vorm van het materiaal (stromingsgeometrieën). De volgende vraag is dan of met de bestaande inzichten schuifzones wel goed voorspelbaar zijn.

Meer informatie bij dr. Martin van Hecke, Kamerling Onnes Laboratorium, Universiteit Leiden, telefoon (071) 527 54 82.