Neem een theeglas met een aantal knikkers en draai het glas rond. De knikker zullen in dezelfde richting draaien als het glas. Als je er meer knikkers bij gooit, zodat bijna de hele bodem bedekt is, gebeurt er iets geks. Terwijl je het glas met de klok mee draait, draait de verzameling knikkers tegen de klok in. Dit gekke gedrag heeft te maken met wrijving, ontdekten natuurkundigen uit de Verenigde Staten en Israël.
De knikkers in het glas gedragen zich als korrelige materialen, zoals zand, suiker en sneeuw. Er is nog veel onbekend over de bijzondere eigenschappen van dit soort materialen. Soms gedragen ze zich bijna als een vloeistof, bijvoorbeeld wanneer zand door een zandloper stroomt. Op andere momenten lijkt het gedrag op dat van een vaste stof, bijvoorbeeld als je over een zandstrand loopt.
Een internationale onderzoeksgroep onderzocht wanneer korrelige materialen zich gedragen als vloeistof en wanneer als vaste stof. Hiervoor voerden ze experimenten uit met knikkers in een glazen bakje dat ze lieten ronddraaien. Ook simuleerden ze de materialen met een computerprogramma.
Deeltjesfysicus Dylan van Arneman: ‘Ik ben op zoek naar iets wat misschien niet bestaat’
Dylan van Arneman verruilt een paar keer per jaar zijn werkkamer op het Science Park in de Watergraafsmeer voor de ondergrond ...
Wijn en pannenkoeken
Draai je een glas wijn met de klok mee rond, dan walst de drank in dezelfde richting door het glas. Wijn ondervindt namelijk weinig weerstand van de zijkanten het glas waardoor het er gemakkelijk langs stroomt. Enkele knikkers in een glas doen hetzelfde. Zij vormen een treintje dat soepel over de bodem glijdt en dus weinig weerstand ervaart. De knikkers gedragen zich daarom als een vloeistof.
Het draaigedrag is heel anders bij een vaste stof. Als je bijvoorbeeld een pan met een pannenkoek met de klok mee ronddraait, beweegt de pannenkoek in de tegengestelde richting. Dat komt doordat de randen van de pannenkoek tegen de randen van de pan botsen. Daar wordt de stevige pannenkoek in de andere richting geduwd. Ook een grote hoeveelheid knikkers gedraagt zich op deze manier.
‘Veel deeltjes die in dezelfde richting rollen en allemaal contact maken met elkaar, ervaren veel wrijving. Daardoor ‘verstart’ de groep en verandert het gedrag’, zegt Harvard-onderzoeker Lisa Lee in een persverklaring. Die starre groep botst tegen te randen van het glas waardoor het, net als de pannenkoek, in de tegengestelde richting draait.
Weerstand
Om aan te tonen dat het gekke gedrag van de knikkers echt door de weerstand komt, simuleerden de onderzoekers het experiment met een computer. Zo konden ze bekijken wat er gebeurt als er geen wrijving is tussen de knikkers onderling of tussen de knikkers en het glas.
Zonder wrijving blijken de knikkers ook in een grote groep soepel langs elkaar glijden. In een glas dat wordt rondgedraaid, gedragen ze zich, ongeacht de grootte van de groep, als een vloeistof die meewalst. Ook simuleerden de onderzoekers ruwere knikkers, met veel wrijving. Die blijken zelfs in een kleine groep al een star geheel te worden dat tegen de richting in roteert.
De resultaten zijn niet alleen relevant voor onderzoekers die graag met knikkers spelen. De bevindingen kunnen vertaald worden naar andere korrelige materialen, zoals zand en sneeuw, om het gedrag daarvan te voorspellen. Het heeft ook toepassingen in fabrieksprocessen waarbij bijvoorbeeld rijst, koffie of noten worden verwerkt.
Tip: Probeer deze knikker-, wijn- en pannenkoekenexperimenten zelf. Zijn er kinderen bij? Een glas limonade of water werkt net zo goed als wijn.