Niet schudden, maar draaien!

Wanneer je een pak suiker in een suikerpot probeert te krijgen, kan het soms handig zijn om een paar keer op de zijkant van de suikerpot te tikken. Met elke tik komen de suikerkorrels – onder invloed van de zwaartekracht – dichter op elkaar te zitten en kun je net wat meer suiker in de pot krijgen. De aanpak is dus effectief. Maar het duurt heel lang voor de suikerkorrels in de suikerpot hun maximale dichtheid hebben bereikt. Kan dat niet anders? Die vraag hebben onderzoekers nu verkend. En het resulteert in een onderzoekspaper én een bijzonder fascinerend filmpje met in de hoofdrol: 25.000 dobbelstenen.

Draaien
De onderzoekers goten de duizenden dobbelstenen in een cilinder. Vervolgens onderzochten ze of ze de dobbelstenen dichter op elkaar konden krijgen – waarbij ze in feite dus geordend werden – door de cilinder om zijn as te laten draaien. Ze lieten de cilinder afwisselend – gedurende één seconde – met de klok mee en tegen de klok in draaien. En dat deden ze vervolgens honderdduizend keer.

Wat gebeurt er?
Door de rotatie werd er een op de wanden van de cilinder georiënteerde kracht op de dobbelstenen uitgeoefend. Bovendien gingen er herhaaldelijk ‘schokken’ door de dobbelstenen heen wanneer de draairichting veranderde. Door de snelheid van de rotatie aan te passen, konden de onderzoekers ook de kracht van die schokken veranderen.

Perfect geordend
Uit het onderzoek blijkt dat de dobbelstenen alleen in beweging komen door die schokken. En de mate waarin de dobbelstenen geordend werden, bleek sterk afhankelijk te zijn van de versnelling die optreedt nadat de draairichting van de cilinder verandert. Bij versnellingen boven de 0,5 g bleken de dobbelstenen al na 10.000 rotaties hun maximale dichtheid te bereiken. En wanneer ze die maximale dichtheid hebben bereikt, liggen ze in bijna perfect geordende concentrische ringen (zie het filmpje hieronder).

Filmpje: K. Asencio et al., Phys. Rev. Lett. (2017).

Anders is het bij versnellingen onder de 0,5 g. Zelfs na 100.000 rotaties zijn de dobbelstenen dan nog niet geordend (zie filmpje hieronder). De onderzoekers schatten zelfs dat je bij zo’n lage versnelling de cilinder wel tien jaar op rij moet draaien, willen de dobbelstenen hun maximale dichtheid bereiken.

Filmpje: K. Asencio et al., Phys. Rev. Lett. (2017).

Draaien is beter dan tikken
Wie granulair materiaal zo dicht mogelijk op elkaar wil pakken, kan het wellicht beter laten draaien dan erop tikken, zo suggereert dit onderzoek. Want als je het materiaal maar lang en snel genoeg laat draaien, ordent het zich altijd. En die garantie heb je niet wanneer je erop tikt: dan moet je niet alleen veel geduld hebben, maar ook geleidelijk aan steeds zachter gaan tikken om de maximale dichtheid te bereiken.

De onderzoekers zijn nog niet klaar met hun experimenten. Ze bereiden op dit moment een vergelijkbare studie voor die in het internationale ruimtestation zal plaatsvinden. Daar zal gekeken worden hoe granulair materiaal zich bij een beperkte zwaartekracht ordent.