Sandentmischung

Kurzbeschreibung

Lässt man eine Mischung aus großen, kantigen Partikeln (Korund: Eckig, braun, Durchmesser 250µm) und kleinen, glatten Partikeln (Glasperlen: rund, weiß, Durchmesser 90-150 µm) in eine Plexiglasküvette rieseln, erhält man eine Entmischung der Menge. Es entsteht ein zebrastreifenartiges Muster, wobei sich Glasperlen und Korund abwechseln.

Abbildung 1

Man beobachtet:
Die Musterbildung tritt erst nach einiger Zeit ein, und am Fuß des Hügels lagert sich überwiegend Korund ab. Außerdem entstehen die Streifen nicht einzeln, sondern immer paarweise, d.h. ein heller und ein dunkler Streifen entstehen gleichzeitig. Diese Doppelstreifen entstehen durch einen lawinenartigen Abrutsch, der am Fuß des Hügels stoppt. Von dort aus wird der Hang wieder aufgefüllt; dann beginnt der Prozess wieder von vorne. Den oberen Teil eines Doppelstreifens bildet immer die Korundschicht.

Erklärung:

Ursache für das Entmischungsphänomen sind die unterschiedlichen Böschungswinkel und Ruhewinkel der verschiedenen Materialien.

Abbildung 2

Betrachtung der Größe der Teilchen:
Kleine Teilchen bilden eine Oberfläche, auf denen große Teilchen gut rutschen können => kleiner Ruhewinkel der rutschenden großen Teilchen (Abb. 2a).
Große Teilchen bilden hingegen eine Oberfläche, die für kleine Teilchen sehr rau ist => großer Ruhewinkel (Abb. 2b).
Dies kann man an der Tatsache erkennen, dass sich am Fußende überwiegend Korund ablagert.

Betrachtung der Oberfläche:
Eckige Teilchen haften stärker aneinander als runde Teilchen, d.h. kleiner Böschungswinkel für runde Teilchen (Abb. 2c), und großer Böschungswinkel für eckige Teilchen (Abb. 2d).

Abbildung 3:Glasperlen                                            Abbildung 4: Korund

Damit die Zebrastreifen zustande kommen, muss das Gemisch aus kleinen, runden, und großen, eckigen Teilchen bestehen. Dabei gilt folgende Winkelrelation: Θ ₂₁ < Θ ₁₁ < Θ ₂₂ < Θ ₁₂

Betrachten wir zunächst den Bereich, an dem sich schon Streifen gebildet haben. Die oberste Schicht besteht aus Korund, der Hügel hat also dessen Böschungswinkel (relativ groß,Θ ₂₂ ).
Die Glasperlen füllen nun die Lücken zwischen den großen Teilchen auf. Dabei ändert sich der Böschungswinkel aber nicht.

Abbildung 5

Die oberste Schicht besteht nun aus kleinen, glatten Teilchen. Für die darauffolgenden Teilchen ist der Ruhewinkel nun überschritten(Θ ₂₁,Θ ₁₁ < Θ ₂₂ ), und es entsteht eine Lawine. Hier findet die Entmischung statt, da die Glasperlen zwischen den großen hindurchfallen und die weiße Schicht bilden.

Abbildung 6

Die großen Teilchen rutschen bis zum Fuß und häufen sich dort an. Von hier baut sich die Korundschicht bis zum Gipfel hin auf. Der Prozess beginnt von vorne.

Abbildung 7

Zu Beginn des Schüttvorgangs findet noch keine Streifenbildung statt: Zu beobachten ist nur, dass sich der Korund vermehrt am Fuß des Hügels ablagert, da er einen kleineren Ruhewinkel als die Glasperlen hat.
Der Beginn der Streifenbildung lässt sich durch eine spontane vermehrte Anlagerung der Korundteilchen im oberen Teil des Hügels erklären. So entsteht die Voraussetzung für die Streifenbildung .

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