Physik beim Frühstück

Granulate mit seltsamen Eigenschaften

Wenn unser Essen etwas fad ist, dann nehmen wir automatisch den Salzstreuer und schütteln das weiße Korn aus dem Streuer – zum Beispiel auf das Frühstücksei. Dabei haben wir seit unserer Jugend gelernt, den Streuer zu schütteln und nicht ruhig über das Ei zu halten. Wie das kommt und vor allem warum das so ist, haben jetzt spanische Wissenschaftler der Universität Navarra beschrieben.

Die Welt der Granulate
Salz hat mit Reis, Zement, Sand aber auch mit feiner Erde eines gemeinsam: Es ist als Medium ein Granulat. Dieses besteht aus Gruppen sehr ähnlicher Teilchen und kann sich entweder wie eine „Flüssigkeit“ aus den Poren des Streuers hinausbewegen, oder aber auch wie ein „Festkörper“ verhalten und ein konstantes Volumen bei einer konstanten Form einnehmen, wie die Sandskulpturen auf dem ersten Bild zeigen. Das ist der Grund, warum sich Granulate manchmal eigenartig verhalten und uns Menschen Probleme bereiten.

Granulatbögen
Eines der intrinsischen Phänomene beim Umgang mit Granulaten, ist deren Eigenschaft, spontan Bögen zu bilden, wie es Bild 2 aufzeigt. Architekten nutzen Bögen zum Bau von Brücken und Aquädukten, weil sich innerhalb dieser Wölbungen die Teilchen gegenseitig stützen und daher das Gebilde besonders standfest machen. Umgekehrt stürzt ein Gebilde unumstößlich ein, wenn man den entscheidenden Bogen entfernt.
Rinnt das Salz morgens aus dem Streuer auf das Frühstücksei, dann kann es spontan Bögen vor der Streueröffnung bilden und diese blockieren. Das gesamte Rieseln kommt ins Stocken und die Bögen halten den gesamten Druck der nachrieselnden Körner stand. So, wie eine Brücke den Straßenverkehr tragen kann.
Die Blockade des Rieselvermögens bereitet aber nicht nur den Menschen Sorgen am Morgen. Analogien finden sich auch beim Urlaubsreiseverkehr oder beim jährlichen Stierrennen in Pamplona, dass am Wochenende wieder mehrere Verletzte hinterließ : Wenn die Straßen schmaler werden und die Läufer ineinander rennen, zeigen sich spektakuläre Anhäufungen von Körpern. Ernsthafte Probleme bereitet der Stopp bei bestimmten industriellen Verfahren. In der Kunststoff-, Zement- und Pharmaindustrie nehmen Granulate in der Fertigung eine wichtige Rolle ein.

Den Fluss verbessern
Im letzten Jahrzehnt haben Wissenschaftler immer wieder versucht, die Eigenschaften solcher Hemmnisse zu verstehen – und wie sie überhaupt zustande kommen. Zwar sind noch sehr viele Fragen offen, aber Iker Zuriguel an der Universität Navarra hat die einfachsten Versperrungen im Labor nachgestellt und untersucht: Ein schmaler Silo, gefüllt mit kugelförmigen Gebilden. Die Arbeit zeigte, dass der wichtigste Faktor für die Rieselfähigkeit das Größenverhältnis zwischen der Rieselöffnung und der Kugel ist. Erstaunlicherweise fallen bei gleicher Mündungs- und Körnergröße nicht immer die gleiche Anzahl Partikel durch das Loch: Unter experimentellen Bedingungen fallen manchmal 10 und manchmal 10.000 Kügelchen aus dem Silo. Die Experimente zeigten, dass die Öffnungen etwa fünfmal größer sein müssen als das Granulat, damit es nicht zu Blockaden kommt. Unterschreitet die Öffnung diese Größe, dann wird es notwendig, den Salzstreuer während des Gebrauchs zu schütteln. Das zerstört die entstandenen Bögen vor den Öffnungen und gewährleistet ein reibungsfreies Würzen unserer Speisen.

roRo; Bilder: Universität Navarra