Dilatanz

Dilatanz ist die Eigenschaft eines Fluids, bei hohen Scherkräften eine höhere Viskosität zu zeigen. Dilatanz ist auch die Eigenschaft eines körnigen, granularen Materials, sein Volumen bei Einwirkung von Scherkräften zu vergrößern.

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Flüssigkeiten

Mathematische Definition: Die Viskosität eines dilatanten Fluids ist eine Funktion der Schergeschwindigkeit und hängt nicht von der Dauer der aufgebrachten Scherung ab und ist somit unabhängig von der Zeit.

Je größer die aufgebrachte Scherung ist, umso viskoser bzw. zäher verhält sich das Fluid. Im Englischen nennt man ein dilatantes Fluid auch „shear-thickening“, also „scherverdickend“ oder „scherverfestigend“. Da die Viskosität nicht konstant bleibt, wird das Fluid nicht-newtonsch genannt.

Die Zunahme der Viskosität entsteht durch eine Strukturänderung im Fluid, die dafür sorgt, dass die einzelnen Fluid-Partikel stärker miteinander wechselwirken (zum Beispiel sich verhaken) und so schlechter aneinander vorbei gleiten können.

Das gegensätzliche Verhalten wird Strukturviskosität genannt.

Wenn die Viskosität nach Verminderung der Scherkraft nicht sofort absinkt, spricht man auch von Rheopexie.

Beispiele für dilatante Fluide

• Bei einem Stärkebrei kann man das Verhalten im Experiment schön beobachten: Dazu wird Stärke mit Wasser verrührt, so dass ein wässriger Brei entsteht. Wenn man einen Löffel langsam durch den Brei zieht, erscheint dieser flüssig, bei höherer Geschwindigkeit wird der Brei so zäh, dass er nicht mehr fließt, sondern eher wegbröckelt. Die Bröckchen werden jedoch nach sehr kurzer Zeit wieder flüssig und verschmelzen mit dem übrigen Brei. Diese Zeitabhängigkeit wird auch Rheopexie genannt.
• Bei Treibsand erhöht sich dramatisch die Viskosität, wenn man versucht, einen Gegenstand rasch aus ihm herauszuziehen. Das erste Einsinken dagegen ist eher umgekehrt: Bei langsamen Bewegungen bleibt die Viskosität niedrig, der Treibsand verhält sich ähnlich einer Flüssigkeit. Unter Schereinwirkung wird das Wasser aus dem Sand/Wassergemisch herausgedrückt, so dass die Sandpartikel stärker miteinander wechselwirken und damit eine höhere Viskosität zeigen (vergleiche Beispiel unter Körnige Materie).

Beispiele für andere dilatante Substanzen:

• Von Dow Corning wird eine dilatante Knete hergestellt. Neben der normalen Knetbarkeit verhält sich diese Substanz bei plötzlicher mechanischen Belastung völlig anders. Wirft man eine Kugel aus dem Material zu Boden, springt sie wie ein Gummiball zurück. Schlägt man mit dem Hammer sehr schnell auf ein Stück, zerspringt dieses, fast wie Keramik, in viele kleine scharfkantige Stücke. Auch beim Zerreißen bilden sich scharfe Kanten und glatte Bruchflächen. Technische Anwendungen waren lange nicht bekannt. Bisher fand die Knete Verwendung als Spielzeug (silly putty, bouncing putty, hüpfender Kitt).
• Ein Material mit ähnlichen Eigenschaften wird seit kurzem als "Active Protection System" (APS) z.B. in Motorradbekleidung eingesetzt: Speziell geformte Pads, die einen dilatanten Compound enthalten, erlauben die freie Beweglichkeit des Trägers. Bei einem abrupten Schlag in Folge eines Sturzes jedoch "verhärtet" das Material zu einer hartgummiähnlichen Konsistenz, verteilt die einwirkenden Kräfte auf eine grössere Körperpartie und verhindert so Verletzungen.

Körnige (granulare) Materie

Die Dilatanz ist eine grundlegende Eigenschaft körniger bzw. granularer Materie wie zum Beispiel Schüttgütern oder Granulaten und wurde 1885 zuerst von Osborne Reynolds erkannt. Sie besagt, dass verdichtete körnige Materie sich unter Scherkräften nur dann verformen kann, wenn die Körner sich untereinander aufschieben, wodurch sich das Volumen vergrößert und die Dichte sich verkleinert. D.H. Dilatanz ist eine für bestimmte Zwecke notwendige Auflockerung der Materie unter Scherbeanspruchung. Der Dilatanzwinkel beschreibt die mit der Scherverformung einhergehende Auflockerung und Volumenvergrößerung des Materials. Er ist das Verhältnis von Volumendehnung zur Scherdehnung und wird in Grad angegeben. Der Dilatanzwinkel ist ein Materialkennwert wie der Reibungskoeffizient, die Kohäsion und der Elastizitätsmodul. Der Dilatanzwinkel steigt mit zunehmendem Reibungswinkel an.

Beispiele

Vakuumverpackter Kaffee hat eine hohe Dichte. Die Verpackung verhindert eine Volumenvergrößerung durch Scherkräfte und ist deshalb sehr stabil. Bei einer Verformung der geöffneten Verpackung kann sich das Volumen durch Dilatanz vergrößern und das Korngerüst ist nicht mehr stabil.

Ein Fußabdruck in feuchtem Sand ist trocken, weil der Druck des Fußes die Sandkörner verschiebt und dadurch das Volumen vergrößert wird. In den nun vergrößerten Porenraum dringt das Wasser ein, wodurch die Oberfläche trocken erscheint. - Ein Stab, der in einem Eimer mit verdichtetem Sand steckt, lässt sich nur schwer heraus ziehen, weil die Volumenvergrößerung des Sandes durch die Eimerwände erschwert wird.