Zand dat bubbelt alsof het in een lavalamp zit

Natuurkunde Zand gedraagt zich vaker als een vloeistof, maar voor het eerst zagen onderzoekers licht zand door zwaarder zand omhoog borrelen.

Zand aan de borrel.
Zand aan de borrel. Foto Alex Penn/ETH Zurich

Kijk: bellen van zand borrelen omhoog in zwaarder zand. Eerst bolt de onderste laag zand op. Dan rekt het zand daar uit, maakt een zandbel zich los en die stijgt omhoog. Het lijkt wel een lavalamp waar oliebellen opstijgen in water. Zand gedraagt zich wel vaker als een vloeistof, maar dat het als samenhangende bel kan opstijgen in een ander soort zand was nog niet eerder waargenomen.

Naast bubbels vormt het lichte zand ook vingerachtige structuren die door het zwaardere zand heen priemen. Deze structuren ontstaan ook in vloeistoffen, als een lichte vloeistof door een zwaardere heen trekt. Maar de fysica die deze vormen laat ontstaan is voor zand anders dan voor vloeistoffen. Dat schreven onderzoekers maandag in PNAS.

Bubbels en vingers

Het lichte zand uit het onderzoek bestaat uit grote, ronde korrels met een lage dichtheid. De zware korrels zijn kleiner, met een hogere dichtheid. Om ze te onderscheiden hadden de onderzoekers het lichte zand donker gekleurd en het zware wit.

De bubbels en vingers ontstaan niet zomaar als je zwaar zand op een laag licht zand stort. Om dat voor elkaar te krijgen, bliezen de onderzoekers eerst lucht door het zand omhoog. Die luchtstroom tilt de korrels op waardoor ze kunnen stromen als een stroperige vloeistof (zoek op liquid sand voor filmpjes van dit effect). Hiervoor moet de kracht van de luchtstroom precies afgestemd worden op het gewicht van de korrels. Blaas je te hard, dan ontstaan er luchtbellen in plaats van zandbellen. Blaas je te zacht, dan blijven de korrels een solide massa.

Op en neer bewegen

Vervolgens brachten de onderzoekers de bak met de twee soorten zand in trilling door het geheel snel op en neer te bewegen. Daardoor ontstonden golfjes aan het oppervlak tussen de twee zandlagen. Vanuit de toppen van die golven baant het lichte zand zich een weg omhoog. Zo ontstaan er vingerachtige structuren waarvan de top zich soms losmaakt in de vorm van een bubbel.

Uit het onderzoek bleek dat luchtstroom of trillingen alleen niet genoeg waren om de bubbels en vingers te laten ontstaan. Alleen de twee samen zorgen voor het lavalampachtige gedrag. Daarin verschillen zandbubbels van vloeistofbubbels, die geen luchtstroom en trillingen nodig hebben. Vloeistofbubbels worden bijeengehouden door oppervlaktespanning; die ontbreekt bij het korrelige zand. Daardoor laat een opstijgende zandbel ook een spoor van korreltjes achter.