Je leest:

Kopje onder in zweefzand

Kopje onder in zweefzand

Verdrinken in drijfzand is nog een heel gedoe. De opwaartse kracht van het drijfzand – eigenlijk een heel dikke vloeistof – zorgt dat je maar tot je middel wegzakt. Twentse onderzoekers wisten een variant te maken waarin je wél kopje onder gaat.

In normaal drijfzand verdrink je niet zomaar, maar aan de Universiteit Twente hebben ze daar iets op gevonden. Detlef Lohse, Remco Rauhé, Raymond Bergmann en Devaraj van der Meer produceerden een soort drijfzand waarin je spoorloos kunt verdwijnen. Hun onderzoek draagt bij aan het begrip van gestapelde lagen korrelig materiaal: granulaire media. De Twentse onderzoekers publiceren over hun speciale drijfzand in het tijdschrift Nature.

Dergelijke waarschuwingsborden zijn soms aan zee of bij opgespoten bouwterreinen te vinden. In maart 1994 vormde zich drijfzand langs een 15 km lange strook strand tussen Monster, Kijkduin en Scheveningen. Persoonlijke ongelukken deden zich niet voor. Wel zakte een paard weg in het zand. Het dier kon worden bevrijd, maar stierf later aan een hartstilstand.

Normaal drijfzand ontstaat als een kolom zand doordrenkt raakt met water. De zandkorrels gaan zweven en een plek drijfzand is geboren. Dat is eigenlijk niets anders dan een heel dikke vloeistof. En dus kun je er de natuurkunde van vloeistoffen op loslaten, zoals de wet van Archimedes.

In de derde eeuw voor Christus ontdekte Archimedes het al: ondergedompeld in een vloeistof weeg je minder dan op het droge. De opwaartse kracht die je voelt is even groot als het gewicht van de vloeistof die je met je lichaam verplaatst. In water is die kracht groot genoeg om een deel van je gewicht te compenseren, maar zonder zwembewegingen zink je alsnog naar de bodem. Een mensenlichaam weegt namelijk meer dan een gelijk volume water. Maar drijfzand heeft een wel twee keer hogere dichtheid dan een mensenlijf: de opwaartse kracht ervan is daarom genoeg om een drenkeling boven water, sorry, zand te houden.

Student Marc Senders van de TU Delft wilde wel testen of je in drijfzand kunt verdrinken. Met een touw om voor de zekerheid werd hij in een diepe bak met drijfzand getakeld. Hoeveel moeite hij ook deed, dieper dan tot zijn middel wist hij er niet in weg te zakken. De opwaartse kracht van de dikke vloeistof was domweg te groot. Wie niet in paniek raakt, kan in drijfzand niet verdrinken. Het is een kwestie van rustig blijven drijven en om hulp roepen. Is er geen hulp, dan kan met voorzichtige bewegingen naar vastere grond onder de voeten worden gezwommen. bron: A. Mensinga/Laboratorium voor Geotechniek, TU Delft. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Zweefzand

Bij de vakgroep Physics of Fluids van de Universiteit Twente werken prof. dr. Detlef Lohse en zijn team aan een nieuwe soort drijfzand. Een nog betere naam is zweefzand, want de Twentse zandkorrels zweven niet in water maar dwarrelen eerst rond in een zachte luchtstroom. De onderzoekers gebruikten extra fijn zand met een korrelgrootte van maar 0,04 mm.

Als die luchtstroom langzaam wordt afgesloten komen de zandkorrels in een luchtige en losse structuur tegen elkaar te liggen. De draagkracht daarvan is veel lager dan die van een laag aangestampt zand: als aangestampt zand een stapeltje kaarten is, vormt het zweefzand een kaartenhuis. De zandkorrels nemen maar 41% van het volume zweefzand in beslag. De rest is lucht.

Om de draagkracht van hun zweefzand te testen gebruikten Lohse en zijn mede-onderzoekers een pingpong-balletje, dat ze vulden met een steeds wisselend gewicht aan bronzen kogeltjes. Ze lieten het balletje aan een touwtje neer op het zandoppervlak en lieten daarna los. Aan het balletje zat een lange ‘staart’ bevestigd, zodat het team kon volgen waar het balletje het zand in was verdwenen en hoe ver het erin weg was gezakt: tot tientallen centimeters diep.

Bij een massa van 133 gram (zie de fotoserie hieronder) zakte het balletje tot 22,4 centimeter diep het zand in, meer dan vijf keer zijn eigen diameter. Als de massa meer dan 28,5 gram is, schiet kort nadat het balletje in het zand verdwijnt een straal zand recht omhoog. Zo’n jet doet zich ook voor bij steentjes die in het water vallen.

Een balletje met een massa van 133 gram hangt boven het drijfzand, net aan het oppervlak rakend. Dan brandt de onderzoeker het touwtje door, valt het balletje naar beneden en zinkt onmiddellijk in het zand weg. Na ongeveer 130 microseconden verschijnt een zandstraaltje (een jet) dat zijn maximale hoogte ongeveer 50 microseconden later bereikt. Na ongeveer 600 milliseconden bereiken ingesloten luchtbelletjes het oppervlak. bron: Vakgroep Physics of Fluids, Universiteit Twente Klik op de afbeelding voor de complete serie.

Hoe spectaculair is het Twentse drijfzand? Arnold Verruijt, emeritus hoogleraar grondmechanica van de TU Delft: “Ik geloof graag dat je (vooral in een laboratorium) een bijzonder losse stapeling kunt maken. Die is dan zeer instabiel. Bij het minste geringste zal die instorten tot dichter gestapeld zand.”

Of een mens erin zou kunnen verdwijnen? “In analogie met de Twentse proeven zou je die mens dan vanuit een kraan voorzichtig moeten laten zakken tot het oppervlak van het zand, en dan loslaten. Zoiets raad ik niemand aan.”

Of het gevaarlijke zweefzand echt in woestijnen op de loer ligt, is nog maar de vraag. Allereerst gaat het om zeer fijn zand dat door de wind op één bepaalde plaats moet zijn verzameld. Dat zal eerder in een dunne laag zijn dan in een metersdiepe poel. Praktisch gezien zul je dus ook in zweefzand niet zomaar kunnen verdrinken.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 08 december 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

LEES EN DRAAG BIJ AAN DE DISCUSSIE