Fluïdisatie van zand
-
Beste Student,
Ik ben een leerling (6vwo). Ik moet dit jaar mijn PWS afgerond hebben en ben bezig met de benodigde informatie op te zoeken die nuttig is voor mijn onderwerp. Mijn PWS-onderwerp gaat over wat de karakteristieke overeenkomsten zijn tussen vloeistoffen en zand in 'fluïdisatievorm'. Zand in fluïdisatievorm is vast zand in een bak of iets dergelijks, waar in de juiste hoeveelheid en op de juiste manier lucht aan toe word gevoerd, waardoor het zand in zekere mate gaat zweven en erg veel op een vloeistof gaat lijken.
Ik heb dit met mijn natuurkundelerares besproken en zij zei dat ik de viscositeit van het zand zou kunnen meten. Ik heb zelf een beetje opgezocht wat het allemaal betekende en hoe ik dit allemaal zou kunnen toepassen. Ik kwam stil te staan bij een paar dingen. Eentje hiervan is het feit dat om de viscositeit van het zand en de wrijving kracht van het balletje te berekenen heb ik de dichtheid van het 'vloeistof' nodig waarin het balletje zich bevindt. In mijn geval zinkt het balletje niet in een vloeistof maar in vast zand waarin lucht door wordt gestroomd. Zou ik hierbij dan de dichtheid van het zand moeten nemen plus de dichtheid van het lucht en dat in verhouding nemen om een soort gemiddelde dichtheid te hebben?
Verder zit ik ook met het dilemma dat als ik de wrijvings kracht van het balletje wil bereken heb ik ook de constante snelheid van het balletje nodig. Het probleem hiermee is dat om aan die constante snelheid te komen, zou ik een formule ervoor moeten gebruiken waar ik de viscositeit in mee moet berekenen, maar de viscositeit van het zand is erg abstract in de zin dat het niet een vloeistof is en als ik met de zelf berekende viscositeit van het zand zou nemen, ben ik bang dat het allemaal niet meer zou kunnen kloppen. Verder zou ik dus ook het balletje kunnen filemen en een programma gebruiken om de constante snelheid te bepalen, maar het probleem daar weer mee is dat het balletje in het zand niet zichtbaar is en daardoor ook niet meetbaar/filmbaar.
Mijn vraag is, of er misschien een natuurkundige is die me kan vertellen of er nog iets is wat ik gemist heb of dat ik het misschien verkeerd aanpak of gewoon 'tips and tricks'. Als diegene wel zegt dat het goed is hoe ik het aanpak, dan zou ik het ook erg op prijs stellen als ik daar wat informatie uit studieboeken over zou kunnen krijgen, aangezien je er op het internet vaak voor moet betalen en het moeilijk is om betrouwbare en goeie informatie te gebruiken.
Met vriendelijken groet,
Olivier -
@olichiller
Hallo Olivier,Ik kan je wel een stukje op weg helpen. Een belangrijk punt is dat je voor berekeningen van schuifspanning en viscositeit vaak ideale omstandigheden neemt. Dit is om de wiskunde en natuurkunde te versimpelen. Dit gebeurt zelfs nog op universitair niveau, omdat je er anders niet veel mee kunt rekenen. Geef dit ook altijd aan in je pws en schrijf al je aannames op.
Om als eerst terug te komen op je dichtheid van zand. Je hoeft hiervoor niet te kijken naar de dichtheid van lucht. Wellicht is het het best als je de dichtheid berekend. Dit kun je doen door de aanname te maken dat alle zandkorrels even groot en perfect rond zijn. Daarnaast kun je ook nog aannemen dat de korrel perfect gestapeld zijn volgens de dichste bolstapeling. In deze stapeling wordt er aangenomen dat alle bollen zo zijn gestapeld dat ze in minimale volume in beslag nemen. Hieruit kun je een berekening doen voor de dichtheid van het zand. Je moet allen een paar aannames doen en schatten/berekenen hoe groot en hoe zwaar een zandkorrel is.
Voor de constante snelheid zal ik nog even wat dingen voor je moeten uitzoeken. Is het goed als ik rond het einde van de week hierop terugkom?
Groetjes,
Sanne -
Sanne Nielsen
Bedankt voor je reactie, je het me hiermee een goed beeld gegeven van hoe ik dit probleem moet gaan tackelen. Ik hoor verder nog graag terug op wat je hebt kunnen vinden over het berekenen van de constante snelheid. Me lerares heeft namelijk gezegd dat ik het gewoon eerst moet gaan bouwen en dan zou moeten kijken hoe ik de snelheid wil gaan berekenen, maar ik ben bang dat dat me niet veel verder zou helpen, dus je hulp is erg gewaardeerd.Met vriendelijken groet,
Olivier -
@olichiller
Hallo Olivier,Het was een beetje lastig te bepalen omdat je eigenlijk twee situaties kan voorstellen: statische en dynamische situatie.
De eerste situatie is zand in een statische vorm. Dit zijn gewoon de korrels dicht op elkaar gestapeld. Stel je voor als je hier een platte plaat op legt en deze met een constante snelheid gaat voor bewegen. Welke snelheid dit is maakt voor nu niet zo heel veel uit. als je de plaat naar voren schuift, dan kun je aannemen dat de laag zand net onder de plaat met dezelfde snelheid naar voren gaat bewegen. De korrels in de laag daaronder hebben eerst last van traagheid, dus die gaan net wat later naar voren bewegen. Enzovoort. Er is natuurlijk wel wat verlies in snelheid als je dieper in het zand komt voor wrijving en weerstand van de lagen daaronder.
Dit is iets wat je zou kunnen onderzoeken. Als je in een doorzichtige bak zand van verschillende kleuren kan toevoegen, dan kun je de beweging van het zand laten zien. Als je stoken met zand maakt die loodrecht staan op de beweegrichting dan kun je aan de vervorming/ verkleuring van de zandlagen laten zien hoe alles loopt.Tweede situatie is de 'dynamische vorm' dus fluidisatie van zand. Dat gaat wel een stuk lastiger worden omdat zo'n opstelling moeilijk te maken is en daarnaast ook de viscositeit door schuifspanning best moeilijk te meten is.
Wellicht als dit wel lukt dan zou je het wel kunnen gaan vergelijken met verschillende viskeuze vloeistoffen en dan kijken naar hoe het oppervlak golft/stuitert. Dan moet je denken aan een experiment waarbij je iets erin laat vallen en dan vergelijken hoe hoog een druppel opspringt en de golven bewegen. Als je een vergelijkbare vloeistof vind dan krijgt je een beter idee van het gedrag.Ik hoop dat dit je wat vooruit helpt.
Groetjes,
Sanne
