Neuartige Untersuchungen von granularen Medien: Einfluss von Magnetfeldern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wir untersuchten das Verhalten von Kugeln mit eingebauten magnetischen Dipolen in einer Schale die sich in einem magnetischen Wechselfeld befindet. Diese Kugeln bilden ein granuläres Medium mit einer ganz besonderen Eigenschaft; jeder Kugel wird gleich viel Energie zugeführt; dadurch sollte dieses System homogen und isotrop und deshalb Ähnlichkeiten mit einem herkömmlichen Gas haben. (Im Gegensatz dazu wird in anderen granulären Medien die Energie über die Wände z.B. durch Schütteln oder Rotieren hinzugefügt, wodurch starke Inhomogenitäten und Anisotropien entstehen). In unserem Medium fanden wir eine Gauß-Verteilung (wie in einem herkömmlichen Gas), allerdings nur für die vertikale Komponente der Rotationsgeschwindigkeit. Dies war bereits von Theoretikern für ein solches Medium vorausgesagt worden. Das oben beschriebene Gas-ähnliche Verhalten gilt nur für hinreichend hohe Anregungsamplituden. Bei niedrigeren Amplituden beobachteten wir Intermittenz; ein chaotisches Wechseln zwischen Ring-Bildung am Schalenrand und der Gas-ähnlichen Mode. Abweichend von unserem Vorhaben führten wir auch Untersuchungen ohne Magnetfeld durch. In einer geschwenkten Schale mit räumlich periodischen Hindernissen fanden wir eine experimentelle Bestätigung der Voraussage, dass für hinreichend kleine Zeiten vom „granulären Gas" Energie in den energetischen Treiber abgegeben werden kann („Verletzung" des "klassischen" 2. Hauptsatzes der Thermodynamik). Unsere gemessenen Wahrscheinlichkeiten für solche Ereignisse decken sich quantitativ mit theoretischen Voraussagen. In weiteren Untersuchungen ohne Magnetfeld fanden wir eine Vorrichtung - bestehend aus einem vertikal geschüttelten Zwei-Kammer-System - zur völligen Entmischung von Teilchen unterschiedlicher Größe oder Dichte. Dies könnte Verwendung bei der Erzgewinnung oder bei der Abfalltrennung finden. Bei Herabsetzung der Anregungsenergie sahen wir periodische Mischung-Entmischung-Oszillationen: die erste bekannte „granuläre Uhr".
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Fluctuation theorem for a deterministic one-particle system", Physical Review E 70, 065101 (R) (2004)
Malte Schmick und Mario Markus
- "Tracks emerging by forcing Langton's ant with binary sequences", Complexity 11, 27-32 (2006)
Mario Markus, Malte Schmick und Eric Goles
- „ ,Granular clock' and full segregation in a shaken, binary granular medium: experiments and simulations", Nonlinear Phenomena in Complex Systems 9, 352-359 (2006)
Sparisoma Viridi, Malte Schmick und Mario Markus
- „Experimental observations of oscillations and segregation in a binary granular mixture", Physical Review E 74, 041301 (2006)
Sparisoma Viridi, Malte Schmick und Mario Markus
- Transduction of electrochemical into mechanical oscillations",Physics letters A 361, 488-492 (2007)
Björn Maiworm, Malte Schmick unf Mario Markus
- „Fluctuation theorem for a Single particle in a moving billiard: experiments and simulations", Physical Review £76,021115(2007)
Malte Schmick, Qi Liu, Qi Ouyang und Mario Markus
- „Hierarchy of cellular automata in relation to control of chaos and anticontrol" in: 'Complexus Mundi: Emergent Pattems in Nature', Hrsg, von M.M. Novak, World Scientific, 297-304 ( 2007)
Mario Markus, Malte Schmick und Eric Goles
- "Dynamik eines magnetisch getriebenen granularen Gases und Untersuchung des Fluktuationstheorems", Dissertation, Technische Univ. Dortmund (2008)
Malte Schmick
- "Gaussian distributions of rotational velocifies in a granular medium", Physical Review E 78, 010302 (2008)
Malte Schmick und Mario Markus
