Voorwerpen gaan kopje onder in droog drijfzand

Neergewarreld fijn zand is niet in staat om voorwerpen te dragen. Dat ontdekten Twentse fysici onder leiding van Detlef Lohse bij experimenten met een zandbak (Nature, 9 dec). Het resultaat brengt met zich mee dat mythische verhalen over mensen en zelfs voertuigen die in de zandwoestijn plotseling van de aardboden verdwijnen, in 1926 beschreven door de Britse archeoloog en legerofficier T.E. Lawrence (Lawrence of Arabia) in zijn Seven Pillars of Wisdom, A Triumph, wel eens op waarheid zouden kunnen berusten.

In gewoon zand, zo weet ieder kind, zak je maar een beetje weg en in nat zand helemaal niet. Dat komt door de zogeheten krachtketens tussen de opeenvolgende korrels. Worden die ketens verzwakt, zoals in drijfzand (een combinatie van zand, water en klei), dan verzwakken de krachtketens en neemt het draagvermogen drastisch af.

Lohse en zijn medewerkers ontdekten een vergelijkbaar effect in iets wat zij `droog drijfzand' noemen: zeer fijn zand dat is neergewarreld. Het Twentse experiment ging als volgt. In een bak met zeer fijn zand (korrelgrootte: 0,04 mm) werd door de geperforeerde bodem lucht geblazen om de zandkorrels te doen opwarrelen. Zodra de luchtstroom wegvalt, zakt alles omlaag en ontstaat een heel losse pakking van 41 volumeprocent (tegen 55 à 60 procent normaal), dus met meer lucht tussen de zandkorrels.

Toen vervolgens een (met bronzen kogeltjes verzwaard) pingpongballetje (4 cm diameter) direct boven het zand werd losgelaten, zakte dat moeiteloos in het zand. Hoe diep, werd bepaald met een praktisch massaloze staart (niet te zien op de foto's) die uit het balletje omhoog stak. Bij een massa van 133 gram zakte het balletje 22,4 cm het zand in, ruim vijf maal zijn diameter. Bij een massa boven de 28,5 gram ging het kopje onder van de pingpongbal gepaard met een recht omhoogschietende dunne straal zand. Voor de duidelijkheid: alles vanuit een beginsituatie met een stilstaand balletje, van een inslag is geen sprake.

Hoe diep het balletje wegzakt en hoe hoog de zandstraal reikt, zo bleek uit de Twentse proeven, hangt af van de massa van het balletje. In beide gevallen gaat het om een lineair verband. Theoretisch sluit dat aan bij een samenspel tussen enerzijds de zwaartekracht en anderszijds de weerstand (drag), waarbij de laatste gelijkmatig toeneemt met de diepte in het zand (zonder dat de snelheid er toe doet). Behalve in aardse woestijnen is het kopje onder gaan in droog drijfzand ook op Mars iets om rekening mee te houden.