Wenn Ingenieure im Sandkasten spielen!

Sandburg

Sommer, Sonne, Sandburg

Strandurlaub ist beliebt bei Deutschen
Neben Städtereisen, Wanderurlauben und Kreuzfahrten ist im Sommer der Bade- oder Strandurlaub die beliebteste Urlaubsart der Deutschen. Laut einer Statistik des Deutschen Reiseverbands führen 72,4% der über 5-Tages-Reisen ins Ausland. 36,9% davon sind Urlaube am Mittelmeer.

Wer mag es verdenken: Am Sandstrand in der Sonne zu entspannen, hilft nicht nur dem stressigen Alltag zu entkommen, auch für unsere Kinder ist es ein Traum. Für die Kleinen gibt es nichts Schöneres, als in einem großen Natur-Sandkasten zu spielen und Sandburgen zu bauen. Während manche eher an Bruchbuden erinnern, erringen andere Bauwerke Preise und Titel in weltweiten Wettbewerben. Traurig nur, wenn ein Ball angeflogen kommt …

Aufnahme von Sand unter einem Mikroskop

Sand als Baustoff: Sind der Fantasie beim Burgenbau physikalische Grenzen gesetzt?

Die Frage konnte nur von unseren Ingenieuren kommen. In unserem Alter zurück in den Sandkasten klingt nicht nur verlockend, es hat uns überzeugt!

Ohne genaue Angaben kann man über die Stabilität von Sandburgen nur spekulieren. Sie ist abhängig von der Feuchtigkeit, der Körnung und der Art des Sandes. Erst mit Wasser wird aus Sand das geeignete Baumaterial. Unter Betrachtung der Oberflächenspannung und den optimalen Sandbedingungen kann eine Sandburg bei einem Grundradius von 20 cm bis zu 2,50m hoch werden. Auf dieses Ergebnis kamen zumindest Studenten der Uni Amsterdam.

Warum hält nasser Sand besser als trockener?
Wir denken, diese Frage hat sich jeder schon einmal gestellt. Die Erklärung ist aber relativ simpel. Sand besteht aus winzigen Sandkörnchen, die sich gegenseitig keinen Halt bieten. Durch Zugabe von Wasser entstehen zwischen den Partikeln kleine Brücken. Diese Wasser-Brücken halten die Körnchen durch ihre Oberflächenspannungen zusammen. Solange das Eigengewicht die Wasserbrücken nicht zerstört, bleiben die Bauwerke auch stehen!

„Viel hilft viel!“, könnte man nun denken. Wir sagen: „Nein!“. Zu viel Wasser lässt die Körnchen schwimmen und die Stabilität geht wieder verloren.



Bei aller Theorie: Wenn ein Ball angeflogen kommt, ist es sowieso zu spät!

Die totale Zerstörung! Eine kurze Unachtsamkeit der mit dem Ball spielenden Kinder und schon ist der Traum vom eigenen Schloss dahin. Eine Sandburg hält nur wenigen Einwirkungen von außen stand. Kann man diesen Vorfall auch berechnen? Natürlich, das Zauberwort heißt Partikelsimulation!

Partikelsimulation

Vereinfachtes Beispiel einer Partikelsimulation: Ballistische Berechnung einer Sandburg. Sandkörner wurden als Partikel simuliert und zeigen Splitterwirkungen.


Die Partikelsimulation als Allzweckwaffe

Für was findet es Anwendung?

Gelöst wurde die Berechnung mit einer Partikelsimulation. Diese Art der Simulationen ist in SPH (Smoothed-particle hydrodynamics) und DEM (Diskrete-Elemente-Methode) unterteilt.

Beölung bei Getrieben – FLUID als Partikel modelliert und mit SPH simuliert.

Die SPH-Methode
Häufig werden mit der SPH-Methode auch Astrophysik, Ballistik und Tsunami-Berechnungen genannt. Sie kann genutzt werden, um extreme Verformungszustände und das Abtrennen von Materialien abzubilden. Der Vorteil ist, dass es nicht zu verzerrten Elementen kommt. Außerdem werden bei Schädigung keine Elemente gelöscht, sodass eine realistischere Abbildung von einem Durchdringen verschiedener Bauteile möglich ist. Zudem können die Partikel zur Einbeziehung von flüssigen oder gasförmigen Medien in dynamische Berechnungen (z. B. Falltests gefüllter Behälter) dienen.

In der Strömungsmechanik können 2-Phasenströmungen über Partikel abgebildet werden. Hierbei eignet sich die Methodik um Aussagen über die Verteilung der Fluide zu treffen z. B. bei der Beölung von Getrieben.

DEM-Simulation von Hackschnitzel in Dosierschnecke

Die DEM-Methode
DEM wird für Strömungen mit einer sehr hohen Anzahl an Partikeln genutzt, da die Methode sehr leistungsstark und robust ist. Hierbei sind alle Größen und Formen von Partikeln beschreibbar. In der Strukturmechanik kann die Einwirkung des Schüttgutes auf umliegende Bauteile untersucht werden. Beispiele für Einsatzgebiete sind:

  • Simulation des Verhaltens von Atomen und Molekülen
  • Entwicklung von Verarbeitungsmethoden für Schüttgüter in Silos, z. B. Getreide
  • Entwicklung von Verarbeitungsmethoden für Massenrohstoffe, z. B. Sand, Zement, Kies
  • Simulation von Staubentwicklung und Materialverlust, z. B. Toner, Tablettenbeschichtung
  • Simulation von Prozessen der Geodynamik, z. B. Dynamik von Akkretionskeilen

Weitere Beispiele:



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