Jesteś tutaj

Fizyka zamków z piasku

  • zamek z piasku
    zamek z piasku

Lepienie zamków z piasku wydaje się rzeczą dziecinnie prostą. I w przypadku małych zameczków rzeczywiście jest proste. Jednak aby ulepić taki okaz jak na zdjęciu po lewej, potrzeba już trochę umiejętności, czasu i przede wszystkim dobrego budulca.

Plażowi bywalcy dobrze wiedzą, że piasek do budowy zamków nie może być ani za suchy ani za mokry. Suche ziarenka w ogóle nie chcą się do siebie kleić, natomiast zbyt duża ilość wody powoduje, że otrzymujemy piaskową breję, która łatwo się rozpływa.

 

Tym sposobem dochodzimy do ważnego pytania: Jaka zawartość wody dodanej do piasku czyni z niego optymalny materiał do budowy zamków? Za tym pytaniem czai się również następne, bardziej podstawowe: Co sprawia, że woda jest tak dobrym piaszczanym lepiszczem?

Spójrzmy pod mikroskop

Aby odpowiedzieć na powyższe pytania należy spojrzeć nieco bardziej w głąb. Na zdjęciu poniżej widzimy obraz z mikroskopu fluorescencyjnego. Przedstawia on mokry piasek. Kule to oczywiście ziarenka piasku, a zielone świecące obiekty to woda, do której dodano odpowiedni fluorescencyjny barwnik.

mokry piasek pod mikroskopem - objętościowy udział wody 0,2%

Widać wyraźnie, że pomiędzy każdymi dwoma ziarenkami piasku woda tworzy połączenie kształtem przypominające krowi placek bądź talerz. Skąd te połączenia się biorą? Po pierwsze woda dobrze zwilża piasek. Pomiędzy cząsteczkami wody a cząsteczkami materiału piasku występują siły przyciągające i można sobie wyobrazić, że każda z cząsteczek wody chce przykleić się do powierzchni ziarenka. Po drugie w wodzie występuje napięcie powierzchniowe. Powoduje ono, że powierzchnię wody możemy wyobrazić sobie jako gumową, elastyczną błonę, która chce się jak najbardziej skurczyć. Najlepszą okazję do uzyskania najmniejszej swojej powierzchni woda ma wtedy, gdy umieści się na styku pomiędzy ziarnami. Co więcej, jeszcze mniejszą powierzchnię osiągnie w sytuacji, gdy ziarenka piasku będą jak najbliżej siebie. Jest to dla wody sytuacja korzystna energetycznie. Można zatem powiedzieć, że woda, wykorzystując napięcie powierzchniowe, ciągnie ku sobie ziarenka, których dotyka.

Siła z jaką woda ciągnie ku sobie dwa ziarenka piasku jest niewielka i wynosi mniej więcej 0,00001 N, czyli bardzo bardzo mało. Dla ziarenka piasku jest to jednak siła ogromna. Gdy porównamy ją z ciężarem pojedynczego ziarenka okaże się, że jest od niego około 100 razy większa. A zatem tylko jedno połączenie wodne wytwarza siłę, która byłaby w stanie utrzymać aż 100 ziarenek piasku!

Wodne połączenia pomiędzy dwoma ziarenkami (zwane mostkami wodnymi) pojawiają się dla objętościowej zawartości wody w zakresie od 0,1% do 3%. Co się dzieje, gdy wody jest mniej? Jej cząsteczki przylepiają się to tu to tam nie tworząc żadnych połączeń, co pokazane jest na zdjęciu poniżej.

mokry piasek pod mikroskopem - objętościowy udział wody 0,05%

Brak wodnych połączeń oznacza, że ziarenka w ogóle nie chcą kleić się do siebie i piasek pozostaje sypki.

W podobny sposób możemy sprawdzić co się stanie, gdy wody będzie więcej niż 3%. Taka sytuacja pokazana jest na następnym zdjęciu.

mokry piasek pod mikroskopem - objętościowy udział wody >3%

Jak widać wodne połączenia rozrastają się i mogą łączyć ze sobą już nie dwa ale trzy i więcej ziarenek piasku. Takie połączenia działają z mniejszą siłą niż połączenia podwójne, słabiej spajają piasek i stopniowo nabiera on tendencji do płynięcia. Przy dalszym zwiększaniu zawartości wody rośnie udział połączeń wielokrotnych, woda szczelnie wypełnia luki między ziarenkami, a z piasku robi się breja, błotko tudzież szlam.

Optymalny przepis na zamek z piasku

Aby otrzymać najlepiej klejący się piasek dążymy zatem do tego, aby uzyskać jak najwięcej mostków wodnych pomiędzy ziarenkami piasku. Mniej więcej 10 lat temu fizycy stwierdzili, że osiąga się to przy objętościowej zawartości wody wynoszącej około 3%. Na jedno ziarno przypada wtedy około 6 wodnych połączeń. Dla takiego układu uzyskujemy największą siłę przylegania ziarenek do siebie oraz najlepsze parametry budowlane.

Budowniczy zamku pamiętaj:
3% objętościowej zawartości wody w piasku fundamentem pomyślnej drogi w wyścigu ku budowie najwyższego zamku na plaży!

 

Więcej do poczytania:

ilustracja otwierająca: worldrecordbook1.blogspot.com

Tagi: 
piasekwoda
  • Obrazek użytkownika krupinski
    O autorze:

    Michał Krupiński

    Redaktor naczelny fiztaszki.pl, kierownik Fiztasz Research Center
    Fiztaszkowiec doświadczalny. Na co dzień nanosi cienkie warstwy metali na wszystko co popadnie. Po godzinach pasjami oddaje się eksperymentom kawiarniano-kuchennym.

Komentarze

Obrazek użytkownika Poyu

Jak zmierzono siłę, z jaką woda przyciąga dwa ziarenka piasku?

Obrazek użytkownika krupinski

Podana wartość siły jest wartością szacunkową uzyskaną na drodze obliczeń, a nie poprzez pomiar. Znając rozmiary ziarenek piasku, wartość napięcia powierzchniowego wody oraz mając daną geometrię mostka wodnego (z obrazu mikroskopowego), można tę siłę obliczyć. Potrzebne wzorki znajdują się w publikacji "Mechanical properties of wet granular materials", do której link umieszczony jest na końcu tekstu.

Obrazek użytkownika Poyu

Ok, dzięki za odpowiedź.

Dodaj komentarz