Nyírási lokalizáció és rendeződés szemcsés anyagokban (munkabeszámoló)
Szabó Balázs fiatal kutató, MTA Wigner FK, SZFI Komplex Folyadékok Osztály, Részben Rendezett Rendszerek Csoport 2010. szeptember 27-től 2013. május 7-ig doktorandusz, ELTE TTK DI Fizika Program Témavezető: Börzsönyi Tamás
Nyírási lokalizáció és rendeződés szemcsés anyagokban
Két kutatási irány: •
Nyírási lokalizáció rétegezett szemcsés anyagokban
•
Elnyújtott alakú részecskék rendeződése nyírás hatására
Nyírási lokalizáció rétegzett szemcsés anyagokban
Nyírási lokalizáció szemcsés anyagokban
felülnézet: (korund mákszemekkel)
Nyírási lokalizáció rétegzett anyagok esetén Elméleti jóslat: rétegzett rendszerekben zónatörés, optikai analógia (Fermat elv):
erő eff Pds min . eff ds min .
Optika:
nds min . sin n1 sin n2
sin 1eff sin 2eff
Tamás Unger, Phys. Rev. Lett. (2007)
kis súrlódás
nagy súrlódás
Kísérleti elrendezés színezett üveggyöngy
korund
üveggyöngy
eff Pds min .
üveggyöngy
korund
színezett korund
Törés színezett korund
korund
Elhajlás üveggyöngy
színezett üveggyöngy
üvegszínezett üveggyöngy gyöngy
korund
színezett korund
Törés
Elhajlás
Törés
Elhajlás
nagy súrlódás
kis súrl.
nagy súrlódás
kis súrlódás high friction
low friction
Törés
Elhajlás
eff
eff
P ds min .
high friction
P ds min . high friction
low friction
low friction
Törés
Elhajlás nagy súrlódás
Kísérlet
nagy súrlódás
kis súrl. kis súrlódás
nagy súrlódás
Szimuláció
nagy súrlódás
kis súrl. kis súrlódás
Szimulációk: Unger Tamás, BME (fluctuating narrow band model)
Teljesül-e az optikából ismert Snellius-Descartes törvény? eff sin corundum eff sin glass
eff corundum Becslés értékére eff glass
a rézsűszögek mérésével: eff corundum tan rcorundum tan 33.2o 1.63 eff glass tan rglass tan 21.9o
T. Börzsönyi, T. Unger, B. Szabó: ‘Shear zone refraction and deflection in layered granular materials’, Phys. Rev. E 80, 060302(R) (2009) T. Börzsönyi, T. Unger, B. Szabó, S. Wegner, F. Angenstein and Ralf Stannarius: „Reflection and exclusion of shear zones in inhomogeneous granular materials”, Soft Matter 7, 8330-8336 (2011)
További konfigurációk
T. Börzsönyi, T. Unger, B. Szabó, S. Wegner, F. Angenstein and Ralf Stannarius: „Reflection and exclusion of shear zones in inhomogeneous granular materials”, Soft Matter 7, 8330-8336 (2011)
Teljes visszaverődés határesete Feltárás
yc H
MRI
2
eff korund 1 eff üveg
Szimuláció
2 eff eff korund korund eff eff üveg üveg
Gondolatkísérlet
kis súrlódás
nagy súrlódás
kis súrlódás
kis súrlódás
kis súrlódás
nagy súrlódás
nagy súrlódás nagy súrlódás
Nyíráshoz szükséges erő eff Pds min .
Fermat elv: eff ds min .
nds min .
Zóna kiszorítása
Feltárás
Szimuláció
Zóna kiszorítása
A zóna felhasadása Feltárás kis súrlódás
kis súrlódás
nagy súrl.
nagy súrl.
eff
P ds min .
W yc 2
Szimuláció
eff eff korund üveg eff eff korund üveg
Feltárás
Szimuláció
kis súrlódás
kis súrlódás
nagy súrl.
nagy súrl.
Zóna kiszorítása
Összefoglalás (1. rész) Több különböző jelenséget találtunk (zóna törése, elhajlása, teljes visszaverődés, kiszorítás)
Két független módszerrel méréseket végeztünk (feltárás, MRI), és összevetettük numerikus szimulációkkal.
Teszteltük Snellius-Descartes törvényét szemcsés anyagokra.
eff sin corundum eff sin glass
T. Börzsönyi, T. Unger, B. Szabó, Phys. Rev. E 80, 060302(R) (2009) T. Börzsönyi, T. Unger, B. Szabó, S. Wegner, F. Angenstein and Ralf Stannarius, Soft Matter 7, 8330-8336 (2011)
Elnyújtott alakú részecskék folyása – különböző méretskálákon fatörzsek a folyón
mezőgazdaság
nanorudak nanohuzalok vírusok
baktériumok
nematikus folyadékkristályok
MBBA molekula
Nematikus folyadékkristályok folyási orientációja
Az orientációs szög egy anyagi paraméter, nem függ a nyírási rátától, de szisztematikusan csökken a rendezettség növekedésével.
Az anyag viszkozitása jelentősen (~50%) csökken a folyási orientáció következtében.
Hengeres elrendezésű nyíró áramlás – elnyújtott alakú részecskék Felvétel felülnézetből (rizs: L/d = 3.4)
- rizs:
L/d = 2.0, 3.4,
- üveg rudak:
L/d = 1.4
- fa rudak:
L/d = 2.0, 3.3,
4.5
3.5, 5.0
Részecske detektálás
Detektált részecskék szűrése • méret (minimum, maximum), • hosszúság/szélesség arány (min, max), • ellipszis illesztés (rizs) vagy téglalap illesztés (rudak)
Átlagos orientáció iránya és a rendparaméter a nyírási ráta függvényében
3 Tij 2N
N
(l n 1
(n) (n) i j
l
1 ij ) 3
S = T legnagyobb sajátértéke egytengelyű eset: S
3 1 cos 2 2 3
a rendparaméter enyhén csökken a nyírási rátával
av nem függ a nyírási ráta értékétől
Átlagos orientáció iránya és a rendparaméter az L/d és S függvényében
av
csökken L/d növelésével
A stacionárius állapothoz tartozó szögeloszlást egy tranziens után érjük el
üveg rudak, L/d=3.5
kezdeti tranziens
stacionárius állapot
Mekkora erő (forgatónyomaték) szükséges a rendszer nyírásához?
Hogyan változik a rendszer ellenállása (súrlódása) a tranziens alatt?
M M stat e / T
Összefoglalás (2. rész) - 3 dimenziós felvételek alapján is
- szimulációk alapján is
Publikációk: T. Börzsönyi, T. Unger, B. Szabó: „Shear zone refraction and deflection in layered granular materials”, Phys. Rev. E 80, 060302(R) (2009) T. Börzsönyi, T. Unger, B. Szabó, S. Wegner, F. Angenstein and Ralf Stannarius: „Reflection and exclusion of shear zones in inhomogeneous granular materials”, Soft Matter 7, 8330-8336 (2011) (IF:4.2) T. Börzsönyi, B. Szabó, G. Törös, S. Wegner, J. Török, E. Somfai, T. Bien, R. Stannarius: „Orientational Order and Alignment of Elongated Particles Induced by Shear”, Phys. Rev. Lett. 108, 228302 (2012) T. Börzsönyi, B. Szabó, S. Wegner, K. Harth, J. Török, E. Somfai, T. Bien, R. Stannarius: „Shear-induced alignment and dynamics of elongated granular particles”, Phys. Rev. E 86, 051304 (2012) Magyar nyelven: B. Szabó: „Hogyan törik a szemcsés anyag, avagy egy különös analógia az optikával”, Természet Világa 143, 500-503 (2012) – TIT-DOSZ Doktorandusz Cikkpályázat, Természet Világa kategória, II. díj Konferenciakiadványok: R. Stannarius, S. Wegner, B. Szabó, T. Börzsönyi: „Shear alignment and orientational order of macroscopic rodlike grains”, Powders and Grains Conference 2013 (elfogadva) Előadások nemzetközi konferenciákon: - 75. Jahrestagung der DPG und DPG Frühjahrstagung, 2011 március 13-18, Dresden, Németország - 19. NCLC Conference, 2012. november 21-23, Patiala, India - 33. Dynamics Days Europe, 2013. június 3-7, Madrid, Spanyolország (elfogadva) Előadások hazai konferenciákon: - Statisztikus Fizikai Nap, 2012 és 2013 - OTKA-NSF Symposium, 2011
Akiket köszönet illet: Börzsönyi Tamás Somfai Ellák Török János Unger Tamás Ralf Stannarius, Sandra Wegner, Tomasz Bien, Frank Angenstein, Kirsten Harth Törös Gábor Részben Rendezett Rendszerek Csoport Wigner FK Anyagi támogatás: OTKA MÖB DAAD Terveim a fokozatszerzés előtt: további két cikk folyamatban német alapfokú nyelvvizsga PhD disszertáció beadása: 2013 vége
Köszönöm a figyelmet!
