Nieuwe theorie verklaart stabiliteit van nat zand

Het toevoegen van vloeistof aan een korrelig materiaal als zand leidt tot `bruggen' tussen de deeltjes, waarbij oppervlaktespanning een aantrekkende kracht levert die in droog materiaal ontbreekt. Drie Amerikaanse fysici hebben op basis hiervan een theorie opgesteld die het oppervlak én de bulkeigenschappen van het korrelige materiaal in ogenschouw neemt. De hybride theorie kan als eerste kwantitatief overweg met experimentele gegevens (Nature Physics, okt).

Ieder kind weet dat het met vochtig zand eenvoudiger kastelen bouwen is dan met droog zand. Maar hoe komt dat? Korrelige (granulaire) materialen gedragen zich anders dan vloeistoffen of een vaste stof. In droog zand kun je roeren, terwijl het oppervlak met gemak het gewicht van een loden kogel draagt, ook al is de dichtheid van lood groter dan die van zand. Om hun bijzondere eigenschappen vinden granulaire materialen toepassing in de industrie. Ook staan ze wetenschappelijk in de belangstelling.

Een zandhoop heeft twee karakteristieke hoeken: de hoek van de kegel die zich vormt wanneer je zand voorzichtig uitschenkt, en de steilheid die een zandhoop nog net kan bezitten eer hij instort. Toevoeging van vloeistof aan droog zand verhoogt beide hoeken aanzienlijk als gevolg van de cohesiekrachten tussen de korrels. In de praktijk blijken de soort vloeistof en korrelgrootte sterk van invloed op de experimentele uitkomsten.

De Amerikanen deden hun experimenten met een doorzichtig, hol wiel dat om een horizontale as draaide en gedeeltelijk gevuld was met glaskorrels. Het wiel werd van achteren belicht, terwijl een digitale camera drie foto's per seconde schoot. Terwijl het wiel draait, storten de korrels de helling af zodra de hoek te hoog wordt. Per soort vloeistof, korrelgrootte en omvang van het wiel werd het experiment dertig keer herhaald, waarbij de uitkomst van de kritische hellingshoek een speling van twee graden vertoonde.

De experimentele resultaten lieten zich goed beschrijven met een hybride theorie. Die houdt rekening met de geometrische stabiliteit van de korrels aan het oppervlak én met de aantrekkende krachten tussen korrels door toedoen van de vloeistofbruggen.