Plotseling verdwijnen in droog drijfzand
Nature-publicatie van UT-onderzoekers
Mensen en zelfs voertuigen die in een zandwoestijn plotseling van de
aardbodem verdwijnen, het zijn favoriete mythische verhalen van
woestijnreizigers. De Britse schrijver T.E. Lawrence, beroemd geworden
werd met zijn "Lawrence of Arabia", schrijft erover in zijn boek
"Seven pillars of wisdom" uit 1926. Ook in een van dé standaardwerken
over woestijnen, "The physics of blown sand and desert dunes" van R.A.
Bagnold uit 1941, komen deze verhalen voor. Hoe onwaarschijnlijk ze
ook klinken, ze kunnen zeer wel op waarheid berusten, zo blijkt uit
experimenten die in de groep van prof. Detlef Lohse aan de
Universiteit Twente zijn gedaan. Lohse, Remco Rauhé, FOM-oio Raymond
Bergmann en Devaraj van der Meer rapporteren over hun proeven in de
Nature van 9 december 2004.
In hun laboratorium in Enschede hebben de UT-onderzoekers iets gemaakt
wat zij droog drijfzand noemen. Zand draagt gewicht goed, zoals de
zandbak van onze kinderen bewijst. Nat zand is nog 'steviger', zoals
het strand laat zien. Het geheim zit hem in de zogeheten krachtketens,
zoals onder andere aannemelijk gemaakt wordt in een artikel in
Physical Review Letters van 6 februari van dit jaar. Wanneer deze
krachtketens worden verzwakt, neemt de draagkracht af. Dat gebeurt
bijvoorbeeld bij een bepaalde combinatie van zand, water en klei: het
bekende drijfzand.
Om `droog drijfzand' te maken, hebben de Twentse onderzoekers een bak
gevuld met zeer fijn zand (korrelgrootte rond 0,04 millimeter). In de
bodem van de bak zitten gaatjes en daar lieten ze lucht door blazen om
de zandkorrels op te warrelen. Als ze de luchtstroom afsluiten, zakken
de korrels tot een heel losse pakking (slechts 41 volumeprocent)
samen. Net rakend aan het oppervlak hingen ze aan een dun koord een
ping-pong balletje met een doorsnede van vier centimeter op. Het
balletje vulden ze voor een deel met bronzen kogeltjes. Zo konden ze
de massa van het balletje variëren. Daarna lieten ze het koordje
doorbranden. Wanneer het koordje het begeeft valt het balletje
ongestoord in één keer in het zand. Uit de experimenten blijkt dat het
balletje moeiteloos het zand in zakt. Hoe diep het zand in, bepaalden
de onderzoekers door aan het balletje een vrijwel massaloze verticale
staart te bevestigen.
Een balletje met een massa van 133 gram valt, rakend aan het
oppervlak, naar beneden en zinkt onmiddellijk in het zand weg. Na
ongeveer 130 microseconden verschijnt een zandstraaltje (een jet) dat
zijn maximale hoogte ongeveer 50 microseconden later bereikt. Na
ongeveer 600 milliseconden bereiken ingesloten luchtbelletjes het
oppervlak.
Bij een massa van 133 gram (zie de foto) zakte het balletje tot 22,4
centimeter diep het zand in, dus meer dan vijf keer zijn doorsnede.
Wanneer de massa meer dan 28,5 gram bedraagt blijkt kort nadat het
balletje in het zand is verdwenen een straaltje zand recht omhoog te
schieten. Zo'n jet treedt ook op bij objecten die met een bepaalde
snelheid op een oppervlak inslaan, maar hier dus ook, vanuit een
stilstaande beginsituatie. De diepte die het balletje in het zand
bereikt en de hoogte van de jet blijken rechtevenredig te zijn met de
massa van het balletje. Het gedrag van het balletje blijkt perfect te
kunnen worden beschreven met een eenvoudig model waarin de
zwaartekracht die het balletje versnelt en de wrijvingskracht die het
balletje in het zand afremt zijn verdisconteerd (zie de figuur).
De gemeten relatie tussen de massa van het balletje (horizontale as),
de maximaal diepte die het balletje in het zand bereikt (de linker
verticale as en de blauwe meetpunten) en de hoogte van de zandstraal
(jet) die ontstaat (de rechter verticale as en de rode meetpunten).
Het ontwikkelde krachtmodel beschrijft de beweging van het balletje in
het zand perfect (de inzet, waarbij de blauwe lijn de waarnemingen
aangeeft en de rode de modelberekening).
In woestijnen - en misschien ook op Mars - kunnen zandmassa's
voorkomen die zijn gevormd uit zeer fijn zand dat door de wind
bijeengeblazen is. De experimenten in Enschede maken het aannemelijk
dat objecten (mensen, voertuigen) daar inderdaad plotseling in kunnen
verdwijnen.
Op http://stilton.tnw.utwente.nl/dryquicksand/ is meer informatie en
beeldmateriaal te vinden over het onderzoek.
Dit bericht is tot stand gekomen in samenwerking met de Stichting
Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM), www.fom.nl
Meer informatie bij prof.dr. Detlef Lohse, e-mail d.lohse@utwente.nl,
telefoon 053-489 8076
Laatst gewijzigd op 09-12-2004 © Universiteit Twente Printversie
(opent in een nieuw venster)
Universiteit Twente