Tajemnice piasku

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.