Ingezonden persbericht
Persbericht, 9 december 2004
Geachte redactie,
Nederlandse onderzoekers hebben iets met drijfzand. In 1926
toonde de Nederlandse ingenieur dr.ir. J. Versluys voor het eerst
aan dat ruw zand en zelfs klei kunnen overgaan in drijfzandconditie.
Begin jaren negentig liet de Delftse hoogleraar grondmechanica
prof. dr. Arnold Verruijt zijn studenten in drijfzand springen om
eens en voor altijd aan te tonen dat een normaal gekleed mens
daar tot aan het middel in blijft drijven.
Afgelopen woensdag publiceerden prof. dr. Detlef Lohse en zijn
team van onderzoekers aan de Universiteit Twente dat er toch een
gevaarlijke vorm van drijfzand bestaat. Dat is zeer fijn zweefzand,
waarin onder laboratoriumcondities voorwerpen wel kopje onder
gaan en zelfs geheel in dat zand kunnen verdwijnen.
De populair-wetenschappelijke website Kennislink heeft deze
nieuwe ontdekking van dusdanige achtergrondinformatie voorzien
dat ze voor iedereen begrijpelijk is.
Hieronder vindt u twee artikelen die gaan over de nieuwe en over de
'alledaagse' vorm van drijfzand. Bij vermelding van www.kennislink.nl
als bron kunt u ze geheel of gedeeltelijk rechtenvrij in uw publicatie
opnemen.
Met vriendelijke groet,
Carl Koppeschaar
-----
Carl Koppeschaar
Hoofdredacteur Kennislink
http://www.kennislink.nl
Bezoekadres: Laan van Nieuw Oost-Indië 300 -- 2593 CE Den Haag
Postadres: NWO - afdeling V&C -- Postbus 93138 -- 2509 AC Den Haag
T 06-20621593 -- E carl.koppeschaar@kennislink.nl
-----
Kopje onder in het zweefzand
Verdrinken in drijfzand is nog een heel gedoe, meldt de
populair-wetenschappelijke website www.kennislink.nl. De
opwaartse kracht van drijfzand - eigenlijk een heel dikke
vloeistof - zorgt ervoor dat je maar tot je middel wegzakt.
Twentse onderzoekers wisten echter een variant te maken
waarin je wél kopje onder gaat.
Door Gieljan de Vries
Drijfzand, het woord alleen al bezorgt mijn moeder de koude
rillingen. Op vakantie in Frankrijk stapte ze namelijk eens in
zo'n stukje bedrieglijk stevig ogend zand, om tot halverwege
de kuit weg te zakken. Mijn wijsneuzerige commentaar over
de onmogelijkheid in drijfzand te verdrinken mocht niet baten:
ze was "aan de dood ontsnapt".
In normaal drijfzand verdrink je niet zomaar, maar aan de
Universiteit Twente hebben ze daar iets op gevonden. Detlef
Lohse, Remco Rauhé, Raymond Bergmann en Devaraj van
der Meer produceerden een soort drijfzand waarin je spoorloos
kunt verdwijnen. Hun onderzoek draagt bij aan het begrip van
gestapelde lagen korrelig materiaal: granulaire media. De Twentse
onderzoekers publiceren over hun speciale drijfzand in het
wetenschapelijk tijdschrift Nature.
Normaal drijfzand ontstaat als een kolom zand doordrenkt raakt
met water. De zandkorrels gaan zweven en een plek drijfzand is
geboren. Dat is eigenlijk niets anders dan een heel dikke vloeistof.
En dus kun je er de natuurkunde van vloeistoffen op loslaten, zoals
de wet van Archimedes.
In de derde eeuw voor Christus ontdekte Archimedes het al:
ondergedompeld in een vloeistof weeg je minder dan op het droge.
De opwaartse kracht die je voelt is even groot als het gewicht van
de vloeistof die je met je lichaam verplaatst. In water is die kracht
groot genoeg om een deel van je gewicht te compenseren, maar
zonder zwembewegingen zink je alsnog naar de bodem. Een
mensenlichaam weegt namelijk meer dan een gelijk volume water.
Maar drijfzand heeft een wel twee keer hogere dichtheid dan een
mensenlijf: de opwaartse kracht ervan is daarom genoeg om een
drenkeling boven water, sorry, zand te houden.
Zweefzand
Bij de vakgroep Physics of Fluids van de Universiteit Twente
werken prof. dr. Detlef Lohse en zijn team aan een nieuwe soort
drijfzand. Een nog betere naam is zweefzand, want de Twentse
zandkorrels zweven niet in water maar dwarrelen eerst rond in
een zachte luchtstroom. De onderzoekers gebruikten extra fijn
zand met een korrelgrootte van maar 0,04 mm.
Als die luchtstroom langzaam wordt afgesloten komen de
zandkorrels in een luchtige en losse structuur tegen elkaar te liggen.
De draagkracht daarvan is veel lager dan die van een laag
aangestampt zand: als aangestampt zand een stapeltje kaarten is,
vormt het zweefzand een kaartenhuis. De zandkorrels nemen maar
41% van het volume zweefzand in beslag. De rest is lucht.
Om de draagkracht van hun zweefzand te testen gebruikten
Lohse en zijn mede-onderzoekers een pingpong-balletje, dat ze
vulden met een steeds wisselend gewicht aan bronzen kogeltjes.
Ze lieten het balletje aan een touwtje neer op het zandoppervlak
en lieten daarna los. Aan het balletje was een lange 'staart'
bevestigd, zodat het team kon volgen waar het balletje het zand
in was verdwenen en hoe ver het erin weg was gezakt: tot tientallen
centimeters diep.
Bij een massa van 133 gram zakte het balletje tot 22,4 centimeter
diep het zand in, meer dan vijf keer zijn eigen diameter. Als de massa
meer dan 28,5 gram is,schiet kort nadat het balletje in het zand
verdwijnt een straal zand recht omhoog. Zo'n jet doet zich ook voor
bij steentjes die in het water vallen.
Hoe spectaculair is het Twentse drijfzand? Arnold Verruijt,
emeritus hoogleraar grondmechanica van de TU Delft: "Ik geloof
graag dat je (vooral in een laboratorium) een bijzonder losse
stapeling kunt maken. Maar die is dan wel zeer instabiel. Bij
het minste geringste zal die instorten tot dichter gestapeld zand."
Of een mens erin zou kunnen verdwijnen? "In analogie met de
Twentse proeven zou je die mens dan vanuit een kraan voorzichtig
moeten laten zakken tot boven het oppervlak van het zand, en dan
loslaten. Zoiets raad ik niemand aan."
Of het gevaarlijke zweefzand echt in woestijnen op de loer ligt,
is nog maar de vraag. Allereerst gaat het om zeer fijn zand dat
door de wind op één bepaalde plaats moet zijn verzameld. Dat zal
eerder in een dunne laag zijn dan in een metersdiepe poel. Praktisch
gezien zul je dus ook in zweefzand niet zomaar kunnen verdrinken.
(Bijschrift zweefzand.gif:)
Een balletje met een massa van 133 gram hangt boven het
zweefzand, net aan het oppervlak rakend. Dan brandt de
onderzoeker het touwtje door, valt het balletje naar beneden
en zinkt onmiddellijk in het zand weg. Na ongeveer 130
miljoensten van een seconde verschijnt een zandstraaltje
(een jet) dat zijn maximale hoogte ongeveer 50 miljoensten
seconde later bereikt. Na ongeveer 0,6 seconde bereiken
ingesloten luchtbelletjes het oppervlak.
Foto's: Vakgroep Physics of Fluids, Universiteit Twente.
---
In drijfzand kun je niet verdrinken
Het komt in menig spannend verhaal voor: avonturier wordt
verzwolgen door het drijfzand. Eng, maar ook flauwekul. Want
in drijfzand kun je niet kopje-onder gaan, zoals een hoogleraar in
Delft aantoonde toen hij een student in de smurrie liet zakken.
Toch zorgt drijfzand wel degelijk voor gevaar, meldt de
populair-wetenschappelijke website www.kennislink.nl.
door Carl Koppeschaar
Het verhaal speelt zich af tijdens de eerste wereldoorlog. Thomas
Edward Lawrence, die later bekend zou worden als Lawrence van
Arabië, heeft met hulp van bedoeïenenstammen de havenplaats
Akaba veroverd. Om het nieuws van de overwinning op de Turken
aan de Britse generale staf in Cairo over te brengen, moet hij de
Sinaïwoestijn oversteken.
Terwijl Lawrence en zijn twee Arabische bedienden, Daud en
Farraj, door de woestijn trekken, steekt er een zandstorm op.
Het drietal moet daardoor afstijgen en te voet verder. Daud
dwaalt door de zandstorm af. Hij raakt achterop. In een poging
weer bij Lawrence en Farraj te komen, rent hij met zijn dromedaris
van een zandduin af. Dat had hij beter niet kunnen doen. Een
brullende dromedaris kan nog net zijn wegzinkende voorpoten
terugtrekken. Maar Daud is al te ver doorgelopen. Ogenblikkellijk
zakt hij tot aan zijn middel in het zand.
"Aurens!" schreeuwt Daud in doodsnood uit. Lawrence en
Farraj, die zijn kreet van verre horen, snellen geschrokken toe.
Lawrence, die zich realiseert dat Daud in drijfzand is
terechtgekomen, kan nog net Farraj laten struikelen als die zijn
vriend onbesuisd te hulp wil snellen. Terwijl beiden nu verder
veilig plat voorover liggen, rolt Lawrence zijn hoofddoek tot een
koord. Daud kan het hem toegeworpen uiteinde vastgrijpen.
Maar omdat hij inmiddels al tot aan zijn oksels is weggezakt,
kan hij zich niet meer ontworstelen aan de enorme zuigkracht
van het zand. Hij moet loslaten. Onder het slaken van een
ijzingwekkende kreet verdwijnt hij ook met zijn hoofd onder
het zand. Lawrence en Farraj zien met ontzetting toe hoe het
zand zich boven hem sluit.
De film Lawrence of Arabia (1962), waaraan deze scène is
ontleend, won zeven Oscars. Onder andere voor de beste film en
voor de beste fotografie. Toch zal iedereen het er hierna mee eens
zijn, dat er eigenlijk nog een extra Oscar had moeten zijn vergeven.
Namelijk die voor de grootste fantasie.
Allereerst repte T.E. Lawrence met geen woord over een dergelijke
gebeurtenis. In het door hemzelf geschreven verslag over de Arabische
opstand, Seven Pillars of Wisdom (1926), is Daud ook na de
Sinaïwoestijn nog van de partij. Pas tegen het einde van de oorlog
hoort Lawrence dat Daud 's winters van de kou gestorven is. De scène
met het drijfzand is dus verzonnen om de film spannender te maken.
Toch is het geweld dat de geschiedenis wordt aangedaan nog niets
vergeleken met het oor dat de natuurkunde wordt aangenaaid. Want
het is onmogelijk dat iemand door drijfzand kan worden verzwolgen.
"Absoluut," zegt prof.dr.ir. Arnold Verruijt, emeritus hoogleraar in de
grondmechanica aan de TU Delft. "Tenzij je opzettelijk je hoofd onder
het zand wilt steken. Want zelfs als je voorover zou tuimelen, moet je
nog altijd de tegenwoordigheid van geest kunnen opbrengen om je
op je rug draaien. De helft van je lichaam blijft namelijk altijd boven
drijven."
Verruijt vertelt dat drijfzand eigenlijk niets bijzonders is. Elk zand
kan drijfzand worden als het maar genoeg water heeft opgenomen.
Droog zand ontleent zijn draagkracht aan op elkaar gestapelde
zandkorrels. Die bieden weerstand als er een gewicht op rust. Maar
als de zandkorrels door een opwaartse waterstroom worden omgewoeld,
raken ze zodanig los gestapeld dat ze geen contact meer met elkaar
hebben. Overal zijn ze dan door een dun laagje water van elkaar
gescheiden. Door een schok, zoals van een zwakke aardbeving, maar
ook door een voetstap, kan het zand dan ineens verweken en overgaan
in drijzand-conditie.
Vaak gebeurt zoiets op het strand, aan de vloedlijn bij opkomend
water. Het oppervlak lijkt dan weliswaar vast, maar daaronder kan
een stok zonder moeite ineens diep in de grond worden geduwd. Het
is een griezelige gevoel om op zo'n stuk strand te stappen en dan de
hele laag als een pudding te voelen schudden.
Ook op de heide doet het verschijnsel zich soms voor. Als van
naburige heuvels regenwater neerdaalt, kan het in de dalen gelegen
zand door een opwaartse waterstroom worden doordrenkt. Doordat
de heuvels met water zijn verzadigd, stijgt de grondwaterspiegel
namelijk als gevolg van de 'wet van de communicerende vaten'.
Verder doet het verschijnsel zich in onze streken voor bij verse
opspuitterreinen voor de bouw, in zandzuigputten en aan de mondingen
van getijdegeulen, zoals in de Oosterschelde. Daar wordt voortdurend
zand door lichte opwaartse stromingen losgewoeld en weer afgezet.
Het zand krijgt daardoor een losse stapeling.
Volgens Verruijt kun je in drijfzand niet verdrinken. Om de proef op
de som te nemen, liet hij zelfs een van zijn studenten in drijfzand zakken.
"Zal ik je vertellen hoe dat is gegaan? Ik vertelde al jaren op college
hoe het werkelijk met drijfzand zit. Droog zand weegt ongeveer
1,6 à 1,7 maal zoveel als water. Raken alle poriën in het zand met
water gevuld, dan neemt dat relatieve volumegewicht toe tot twee.
Dat betekent dat de opwaartse kracht die van drijfzand uitgaat
ongeveer twee keer zo groot is als die van water. Een mens is even
zwaar als water en kan daar dus maar tot de helft in wegzakken.
Daarom noem je het ook drijfzand. Dus maak je vooral geen zorgen.
In drijfzand moet je er tot zóver ingaan (maakt gebaar met hand
tot aan de navel). Niet verder.
"Maar is dat ook zo? Een paar jaar geleden riep ik daarom op
college: 'Wij hebben op Geotechniek een vier meter grote tank die
we gebruiken voor ankerproeven. Daarin kunnen we ook drijfzand
maken. Het enige dat nog ontbreekt, is een vrijwilliger die er even
inspringt. Ik heb daar een kratje bier voor over.'
"Eén van mijn studenten, Marc Senders, stond op en riep.
'Verkocht!'. Toen hebben we de proef op de som genomen.
Voor alle zekerheid hebben we natuurlijk een touw om zijn lichaam
gedaan. Kijk, hier op de foto gaat hij erin. Je ziet dat hij er maar
tot aan zijn middel inzit. En echt waar hoor: hij zijn u¡terste best
gedaan om er nog verder in te zakken. Heen en weer bewegen,
op en neer springen, noem maar op. Op deze foto staat hij trouwens
helemaal los van het touw."
Sinds het experiment is uitgevoerd, staat vast dat de 'wet van
Archimedes' ook voor drijzand opgaat. Die wet luidt: Een lichaam,
dat geheel of gedeeltelijk is ondergedompeld in een vloeistof,
ondervindt een opwaartse kracht die gelijk is aan het gewicht van
de verplaatste vloeistof.
Toch was dat niet van meet af aan duidelijk. Aan het begin
van deze eeuw geloofden wetenschappers nog dat drijfzand alleen
zou onstaan bij gladde zandkorrels. De mooi afgeronde korrels
zouden als kogellagertjes langs elkaar slippen en daardoor zou je
er in zakken. Pas in 1926 toonde de Nederlandse ingenieur
dr.ir. J. Versluys aan dat ook ruw zand en zelfs klei gemakkelijk
overgaat in de drijfzandconditie. Volgens Versluys was het een
kwestie van zandkorrelstapeling. Bij een losse stapeling kan er
overal water tussen de korrels komen, waardoor het zand overgaat
in een suspensie. De zandkorrels 'zweven' daarbij in het water.
Zand in supsensie is dus niets anders dan een zware vloeistof, en
vandaar het veel grotere drijfvermogen volgens de wet van
Archimedes.
Betekent dit nu dat er geen enkel gevaar van drijfzand is te duchten?
"Dat is nu ook niet zo," vervolgt professor Verruijt. "Want daarstraks
had ik al verteld dat nat zand volkomen plotseling kan overgaan in
drijfzand door trillingen. Bij aardbevingen zie je daardoor soms grote
verwoestingen. Door de bodembewegingen kan opstijgend grondwater
het zand loswoelen. Bij een middelzware aardbeving kan dat los
gestapelde zand als een kaartenhuis in elkaar storten."
Verruijt laat dat plotselinge ontstaan van drijfzand zien aan de
hand van een zogenaamde 'quicksandtank'. Dat is een soort
aquarium, waarin een grote hoeveelheid zand op een filter rust.
Via het filter stroomt water in dat onder druk is gebracht. Heel
mooi is te zien hoe het zand naar boven toe steeds natter wordt.
Als het zand volledig is verzadigd, wordt het overtollige water
aan het oppervlak weggezogen.
"Voel maar eens," zegt Verruijt. Onder mijn handen voelt het
zand zeer stevig aan. "Nu zetten we er een namaak-huisje op en
zullen kijken wat er gebeurt als we een klap tegen de tank geven."
Aanvankelijk staat het huisje heet gewoon op het zand. Dan
geeft laboratoriummedewerker Han de Visser met een zware
steen een dreun tegen een van de hoeken van de tank. Werkelijk
ogenblikkelijk zakt het huis weg in de plotseling verweekte
brij.
Nu komen in Nederland bijna geen aardbevingen voor. Maar
op 13 april 1992 werd ik even voor half vier 's ochtends wakker
geschud door de krachtige aardbeving die op dat moment in
Roermond en omgeving grote vernielingen aanrichtte. Bij die
beving spoten op sommige plaatsen 'zandfonteinen' omhoog.
Volgens drs. Gerhard Houtgast, seismoloog bij het KNMI in
De Bilt, zijn die zandfonteinen ontstaan door zand dat door de
bodemtrillingen vloeibaar is geworden. Onder hoge druk is dat
drijfzand vervolgens door bodemscheuren omhooggespoten.
"In sommige weilanden, en op een voetbalveld in Montfort,
troffen we zandfonteinen aan die een hoogte moeten hebben
bereikt van tientallen centimeters," aldus Houtgast. "Dat is af
te leiden uit de afmetingen van de kegels van uitgeworpen zand.
Maar doordat de beving 's nachts gebeurde, heeft jammer
genoeg niemand de fonteinvorming gezien. Langs de Maas zag
je trouwens ook sporen van liquefactie, ofwel het vloeibaar
worden van de bodem. Daar vonden kleine aardverschuivingen
langs de oevers plaats."
Nu was de aardbeving van Roermond heel uitzonderlijk voor
ons land. Maar Amerikaanse seismologen, die voortdurend in
de weer zijn met aardbevingen die optreden langs de Rocky
Mountains en het San Andreasbreuk in Californië, kennen de
gevolgen van 'soil liquefaction' maar al te goed. In 1964 bijvoorbeeld,
tijdens een aardbeving in Alaska, werden ongeveer 250 bruggen
beschadigd doordat hun pijlers wegzakten als gevolg van
aardverschuivingen langs de rivierbeddingen. Ook kwamen
door de vloeibaar geworden bodem ondergrondse opslagtanks
omhoog. Bij lege tanks was het drijfvermogen zo groot, dat ze
zelfs door geasfalteerde wegen heen omhoog kwamen.
"Het vervelende is dat je nooit precies weet wat er kan gebeuren
omdat je nooit precies weet wat er in de onderliggende bodem zit."
zegt T. Leslie Youd, van de Brigham Young University in Provo
(Utah). "Daarom zijn we nu bezig alle bodemlagen in
aardbevingsgebieden in kaart te brengen."
Tot zover drijfzandverschijnselen die door de natuur zelf zijn
voortgebracht. Maar soms helpt de mens het ongeluk ook een
handje. Zo deed zich in 1961 in Clamart, een voorstad van
Parijs, een eigenaardige aardverschuiving voor. In een
dichtbewoonde streek werden 25 huizen, een flatgebouw en
een porseleinfabriek binnen enkele seconden bedolven. Aan
de ramp was een langdurige regenval voorafgegaan. Toch zou
er weinig zijn gebeurd als zich geen gasontploffing had voorgedaan
in de ondergrondse gangen van een champignonkwekerij.
Ooggetuigen verklaarden hoe het naburige heuvelterrein begon
te welven. Vervolgens zakte de hele boel 'als een molshoop'
in en kwam naar beneden. Bijna dertig mensen vonden onder
het puin de dood.
In Clamart veranderde de schok van de ontploffing een met
water doordrenkte bodemlaag plotseling tot drijfzand. Doordat
er sprake was van een glooiende helling, ontstond zo een
glijvlak en schoof de aardmassa omlaag. De slachtoffers die
vielen waren ook hier dus zeker niet door het drijfzand weggezakt.
Het ongeluk wilde dat ze het drijfzand op hun hoofd kregen.
MOERAS EN SCHUIMBETON
Wie niet in paniek raakt, kan in drijfzand niet verdrinken. Het is
een kwestie van rustig blijven drijven en om hulp roepen. Is er
geen hulp, dan kan met voorzichtige bewegingen naar vastere
grond onder de voeten worden gezwommen.
Voor een moeras is het wél oppassen. Dat bestaat uit een laag
mosachtig veen dat door planteresten bij elkaar wordt gehouden.
Als zich daaronder water bevindt, kun je er doorheen zakken, net
zoals je door ijs zakt. In zo'n situatie moet echt worden
gezwommen, want een mens is nagenoeg even zwaar als water.
Zeer gevaarlijk zijn vloeibare substanties waarin kunstmatig lucht
of gas is aangebracht. Door de aangebrachte bellen hebben
zulke oplossingen een laag volumegewicht. Pas gestort schuimbeton
is slechts 0,6 maal zo zwaar als water en heeft dus ook voor een
mens onvoldoende draagkracht. "Als je daar in valt, kun je
zwemmen wat je wilt, maar je komt niet boven," vertelt professor
Verruijt: "Dan verzuip je dus. Echt levensgevaarlijk spul!"
-----
Noot (