U kunt gemakkelijk over het zand op een strand lopen. Maar stap in een ballenbak, en de kans is groot dat je er doorheen valt.

Zand en ballenbakken zijn beide korrelige materialen, of materialen die zijn gemaakt van verzamelingen van veel kleinere deeltjes of korrels. Afhankelijk van hun dichtheid en hoeveel kracht ze ervaren, korrelige materialen gedragen zich soms als vloeistoffen - iets waar je doorheen valt - en soms "vastlopen" in vaste stoffen, waardoor ze iets zijn waar je op kunt staan.

"In sommige gevallen, deze kleine deeltjes hebben ontdekt hoe ze echt solide structuren kunnen vormen, " zei Robert P. Behringer, James B. Duke hoogleraar natuurkunde. "Dus waarom gaan ze niet altijd gewoon zijwaarts spuiten en ontspannen alle stress?"

Natuurkundigen begrijpen nog niet precies wanneer en hoe jamming optreedt, maar het team van Behringer bij Duke is op de zaak. De groep knijpt, strekt zich uit, treffers, en trekt aan korrelige materialen om een ​​beter beeld te krijgen van hoe en waarom ze zich gedragen zoals ze doen. Het team presenteerde onlangs maar liefst 10 papers op de 2017 Powders and Grains Conference, die plaatsvond van 3-7 juli, 2017 in Montpellier, Frankrijk.

Veel van deze onderzoeken gebruiken een van de favoriete technieken van het laboratorium, dat is om korrelige materialen te maken van kleine transparante schijven met een diameter van ongeveer een halve inch tot een inch. Deze schijven zijn gemaakt van een materiaal dat, dankzij de speciale manier waarop het samenwerkt met licht, verandert van kleur als het wordt geplet. Met dit effect kan het team kijken hoe de spanning in het materiaal verandert als verschillende krachten worden uitgeoefend.

In een experiment, Afgestudeerde student Yue Zhang gebruikte een hogesnelheidscamera om de spanningspatronen te vangen terwijl een bal aan een touwtje uit een stapel van deze schijven wordt getrokken. In de video, de bal lijkt eerst vast te zitten onder de stapel, en dan plotseling bezwijkt nadat er voldoende kracht is uitgeoefend - niet anders dan wat je zou kunnen ervaren als je een tentstok uit de grond trekt, of het openen van het deksel van een vervelende augurkpot.

"Het grappige is dat je begint te trekken, je voegt meer kracht toe, je voegt meer kracht toe, en dan trek je op een gegeven moment zo hard dat je jezelf tegen je hoofd stoot, ' zei Behringer.

Het team was verrast om te ontdekken dat de stresspatronen die door de bal worden gecreëerd, waarvan Behringer zegt dat het eruitziet als haar dat overeind staat, " zijn bijna identiek aan de stress van impact, alleen omgekeerd.

"Wat je ziet is, hoewel je geleidelijk aan steeds harder en harder trekt, de uiteindelijke dynamiek is in zekere zin dezelfde dynamiek die je krijgt bij impact, ' zei Behringer.

In een ander experiment, het team onderzocht wat er gebeurt in korrelige materialen onder schuifspanning, wat vergelijkbaar is met de kracht die uw vingers op elkaar uitoefenen wanneer u ze tegen elkaar wrijft.

Afgestudeerde student Yiqiu Zhao plaatste honderden van deze schijven op een cirkelvormig platform gemaakt van een reeks platte, concentrische ringen, die elk worden bestuurd door een afzonderlijke motor. Terwijl de ringen met verschillende snelheden draaien, de deeltjes wrijven tegen elkaar, het creëren van een schuifspanning.

"We hebben hier ongeveer twintig stappenmotoren, zodat we alle ringen kunnen roteren om een ​​afschuiving toe te passen, niet alleen vanaf de buitengrens, maar ook van overal in het grootste deel van het materiaal, "Zei Zhao. Dit zorgt ervoor dat elk deeltje in de cirkel een vergelijkbare hoeveelheid afschuiving ervaart.

"Een van de belangrijkste bedoelingen van dit nieuwe experiment was om een ​​manier te vinden om te scheren totdat de koeien thuiskomen, "Zei Behringer. "En als het honderd keer meer schuifkracht kost dan ik zou kunnen krijgen met oudere experimenten, nou, we gaan het halen."

Terwijl de ringen draaien, video's van het materiaal tonen krachten die als bliksemschichten uit de binnenste cirkel kronkelen. Ze ontdekten dat door voldoende afschuiving toe te passen, het is mogelijk om het materiaal als een vaste stof te maken bij veel lagere dichtheden dan eerder was gezien.

"Je kunt een korrelige vloeistof in een korrelige vaste stof veranderen door het af te scheren, "Zei Behringer. "Dus het is alsof je je ijs niet in de koelkast doet, je legt het in een van deze bakjes en je knipt het bakje en het verandert in ijs."