Dlaczego nie da się wybudować na plaży zamku z suchego piasku? Dlaczego – by się kleił – trzeba do niego dodać wodę? „Klejenie” się piasku zależy od ilości wody, ale także od rodzaju piasku. Efekt końcowy (mniej lub bardziej udany zamek) zależy także od temperatury i ciśnienia. Każdy budowniczy piaskowych budowli musi zastanawiać się, dlaczego sypka substancja zachowuje się czasem jak płyn, czasem jak gęsta maź, czasem jak ciało stałe, a czasem... zupełnie nieprzewidywalnie. Od odpowiedzi na to pytanie może zależeć życie kosmonautów zdobywających Marsa, ludzi mieszkających na terenach aktywnych sejsmicznie czy… chorych zażywających duże ilości lekarstw.

Znikające domy

W czasie ostatniego dużego trzęsienia ziemi w San Francisco (w 1989 roku) domy, które były budowane na twardym, choć lekko wilgotnym gruncie, zapadały się po trzecie piętro. Niektóre budynki osiadały tak równomiernie, że praktycznie nie były widoczne żadne większe pęknięcia ich konstrukcji. Po prostu wysoka kamienica w jednej chwili stawała się parterowym bungalowem. Choć może to dziwić, wyjaśnienie tego fenomenu ma ścisły związek z… zamkami budowanymi na plaży. Wilgotny piasek klei się, bo woda znajdująca się pomiędzy jego ziarenkami działa jak klej. To nic dziwnego i chyba każdy był świadkiem podobnego zjawiska. Gdy pomiędzy dwie gładkie powierzchnie (np. szyby) wpuści się kilka kropel wody, a następnie przyciśnie się je do siebie, bardzo trudno te powierzchnie od siebie oderwać.

Ziarenka piasku – o ile znajduje się pomiędzy nimi woda – są ze sobą połączone w analogiczny sposób. Tyle tylko, że napięcie powierzchniowe działa na małych odległościach. Dlatego gdy wody pomiędzy ziarenkami jest zbyt dużo, przestaje ona odgrywać rolę kleju („gumowe mostki” pękają) i piasek zaczyna zachowywać się jak płyn. Ile zatem wody trzeba dodać do kilograma piasku, żeby miał idealną do budowania konsystencję? Problem jest bardziej złożony, niż mogłoby się wydawać, bo piasek piaskowi nierówny. Ziarenka słynnego czarnego piasku z plaż na Hawajach mają podobną wielkość, ale bardzo zróżnicowany kształt. Z kolei biały piasek z Bahamów ma różną wielkość, ale ziarenka są bardzo podobne, pozbawione ostrych krawędzi. Doświadczenie w budowaniu czarnych zamków na plażach Hawajów może być zupełnie bezużyteczne w czasie urlopu na Bahamach. Ilość wody potrzebna do uzyskania budulca o kleistej konsystencji w obydwu przypadkach jest różna. A właściwości materiałów sypkich zależą właśnie od ilości wody czy powietrza, uwięzionych pomiędzy poszczególnymi granulkami. Sprawa jest jeszcze bardziej skomplikowana, gdy weźmie się pod uwagę mieszaninę granulek o różnej wielkości, twardości i chropowatości.

Piaskownica w kosmosie

No to teraz wróćmy do trzęsienia ziemi. W czasie kataklizmu sprężanie i rozprężanie nasączonej wodą gleby jest tak szybkie, że woda znajdująca się pomiędzy jej ziarenkami nie zdąży spomiędzy nich uciec. W czasie tego procesu bywają momenty, gdy cały ciężar postawionego na takim materiale budynku nie jest oparty na podłożu, tylko na... słupie wody. Naprawdę niewiele trzeba, by taka ziemia dosłownie się rozstąpiła, a budynek w mgnieniu oka zapadł. Sprawa jest bardzo złożona. Nie chodzi tylko o domy, ale także o budowę dróg czy mostów. Niestety, badając to zjawisko tutaj, na ziemi, możemy do niczego nie dojść. Głównie z powodu grawitacji, której w ziemskim laboratorium nie da się wyłączyć. Badacze zdecydowali się więc zaplanować kilka doświadczeń w kosmosie i tam dokładnie się przyjrzeć, co dzieje się w słupie wilgotnego piasku o różnej wielkości ziaren pod wpływem nacisku. W ramach eksperymentu MGM III (Mechanics of Granular Materials), kilka lat temu na pokładzie wahadłowców w kosmos poleciało dziewięć gumowych cylindrów wypchanych 1,3 kg piasku nasączonego w różnym stopniu wodą. W warunkach tzw. mikrograwitacji były one ściskane i rozprężane. Na orbicie symulowano też trzęsienia ziemi.

Każde doświadczenie było obserwowane przez kamery cyfrowe. Na powierzchni gumowych rękawów namalowane były pionowe i poziome linie, dzięki którym fizykom łatwo było przeanalizować, jak walec mokrego piasku deformował się pod wpływem zewnętrznej siły. MGM III był już trzecim eksperymentem, w ramach którego na orbicie badano materiały sypkie. Wiedza o tych materiałach może się okazać istotna dla ludzi, którzy w przyszłości będą budowali bazę na powierzchni Księżyca albo Marsa. Dobrze byłoby wiedzieć, jak i gdzie ją wybudować, żeby się nie zapadła pod własnym ciężarem. Poza tym trudno sobie wyobrazić budowę bazy poza Ziemią bez korzystania z „miejscowych” bogactw naturalnych. Być może trzeba będzie wydobywać odkrywkowo zamarzniętą wodę spod powierzchni czy korzystać z marsjańskiego (albo księżycowego) piasku jako budulca. A to bez dobrej znajomości fizyki materiałów sypkich jest po prostu niemożliwe. Na Ziemi brak wiedzy na ten temat możemy zastąpić doświadczeniem. To doświadczenie poza Ziemią jest bezużyteczne, a korzystanie z niego może być wręcz niebezpieczne. Na innych globach panują inna siła grawitacji, inne ciśnienie, inna wilgotność i w końcu piasek marsjański może zasadniczo różnić się od tego ziemskiego. Jak strome powinno być zbocze wykopu na Marsie, żeby nie zeszła lawina? Albo dlaczego pojazdy, które na Ziemi poruszają się bez problemu, na marsjańskiej pustyni czasami grzęzną po same osie? Tak było 26 kwietnia 2004 roku, kiedy należący do NASA marsjański łazik Opportunity ugrzązł w miękkim piasku w kraterze Gusev. Inżynierowie w ziemskim ośrodku sterowania przez trzy tygodnie ciężko pracowali, zanim udało się wyprowadzić łazik z pulchnej, świeżo nawianej wydmy.

I dla rolnika, i dla farmaceuty

Poznanie tajemnicy „upłynniania” się podłoża pozwoli w przyszłości budować bezpieczniejsze domy czy mosty na terenach aktywnych sejsmicznie. Pozwoli być może zapobiec śmierci ludzi zamieszkałych na terenach, na których po ulewnych deszczach często dochodzi do lawin błota. Być może nie trzeba wcale tych ludzi przesiedlać, a jedynie nauczyć budować konstrukcje zdolne przeciwstawić się występującym wtedy siłom. Zgłębianiem tajemnicy granulek zainteresowani są też rolnicy i przemysł farmaceutyczny. Chodzi o tzw. paradoks orzechów brazylijskich. Dlaczego w potrząsanym wiadrze ze żwirem większe kamyki są na samej górze, a te mniejsze idą na dno? Przecież większe kamyki są też cięższe – czy nie powinny zatem opadać? Do niedawna nikt nie potrafił kontrolować i przewidywać efektów mieszania dwóch materiałów sypkich o różnej wielkości ziaren. Dopiero w 2000 roku grupa fizyków z Lehigh University z USA opublikowała pracę wyjaśniającą to zjawisko. Przesączanie się mniejszych granulek przez większe na dno naczynia czy „unoszenie” się ziaren większych do góry zależy nie tylko od różnicy ich wielkości, ale także masy. Po serii doświadczeń naukowcy stworzyli model, dzięki któremu można przewidzieć, czy dwie lub więcej substancji sypkich wymiesza się równomiernie, czy też dojdzie do ich „segregacji”. Problem ten jest bardzo ważny w wielu dziedzinach przemysłu, gdzie półfabrykaty mają zwykle postać granulek. Także firmy farmaceutyczne zainteresowane są takim mieszaniem sypkich składników lekarstw, żeby w końcowej mieszaninie zawsze były zachowane pożądane proporcje. Z kolei w wielu dziedzinach – np. górnictwie czy rolnictwie – segregacja wielkościowa jest jak najbardziej pożądana. W ten sposób można np. sortować wg wielkości wydobywany węgiel czy zebrane ziarna ryżu. I pomyśleć, że to wszystko ma ścisły związek z budową zamków na plaży.

Śpiewający piasek

Piski, buczenie, huczenie, dźwięki różnych instrumentów a nawet nawoływania. „Powszechnie wiadomym jest, że pustynię zamieszkują złe duchy” – pisał Marco Polo w 1295 roku. O jakie złe duchy chodzi? Wydmy wydają odgłosy, gdy suchy jak pieprz piasek zsuwa się z nich jak lawina. W ześlizgującej się warstwie piasek porusza się odrobinkę w górę i w dół, i znowu w górę, i znowu w dół. Dzieje się tak dlatego, że warstwa głębsza, po której zsuwa się lawina, nie jest przecież idealnie gładka, tylko też składa się z ziarenek piasku. Ziarenka z lawiny jakby przetaczają się przez nieruchome ziarenka leżące głębiej. Tak jak gdyby samochód jechał po drodze zrobionej z tzw. kocich łbów. Zsynchronizowany ruch góra–dół powoduje, że powierzchnia lawiny działa jak membrana głośnika. Lament czy dudnienie wydmy może trwać nawet 15 minut bez przerwy. Emitowane dźwięki mogą być ogłuszające, a wywołujące je drgania potrafią przewrócić dorosłego człowieka znajdującego się w pobliżu. By posłuchać muzyki pustyni, wcale nie trzeba jechać aż na Saharę. Każdy doświadczył skrzypienia piasku pod stopami w czasie spacerów po plaży. Wciskane między siebie ciężarem ciała ziarenka piasku ocierając się, drgają. I to powoduje piszczący dźwięk.