Icon up Overzicht

Plotseling verdwijnen in droog drijfzand

Onderwerp: Kracht en beweging, Overige onderwerpen

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 als "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 laboratoriumexperimenten die in de groep van 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.

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. Dat wordt onder andere aannemelijk gemaakt in een artikel van FOM-oio Jacco Snoeijer, Martin van Hecke en Wim van Saarloos (allen Universiteit Leiden) en Thijs Vlught (Universiteit Utrecht), in Physical Review Letters van 6 februari 2004. Wanneer deze krachtketens worden verzwakt, neemt de draagkracht af. Dat gebeurt bijvoorbeeld bij een bepaalde combinatie van zand, water en klei: het bekende drijfzand. In hun laboratorium in Enschede hebben de onderzoekers iets gemaakt wat zij droog drijfzand noemen.

Ze vulden een bak 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-pongbal 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 koord doorbranden. Wanneer het koord 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 is bepaalden de onderzoekers door aan het balletje een vrijwel massaloze verticale staart te bevestigen. 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.

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. Foto Vakgroep Physics of Fluids, Universiteit Twente

Wanneer de massa meer dan 28,5 gram bedraagt, blijkt kort nadat het balletje in het zand is verdwenen een straal zand recht omhoog te schieten. Zo'n jet treedt ook op bij objecten die met een bepaalde snelheid op een oppervlak inslaan (zie hier voor meer informatie). 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. Daarin zijn de zwaartekracht die het balletje versnelt en de wrijvingskracht die het balletje in het zand afremt verdisconteerd (zie de figuur).

De gemeten relatie tussen de massa van het balletje (horizontale as), de maximale 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 lijn de modelberekening). Illustratie Vakgroep Physics of Fluids, Universiteit Twente

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.