Für viele Bereiche der Wissenschaft, von der Vorhersage von Erdrutschen bis zur Landwirtschaft, ist es sehr wichtig, die Physik des Partikelflusses zu verstehen. Bisher sind Wissenschaftler nicht sehr gut darin.
Was ist der weichste Sand der Welt? Warum sind einige Sandarten weicher als andere?
- fragt Peter S. aus Brooklyn
Wir wissen nicht. Niemand versteht, wie Sand funktioniert.
Es klingt absurd, ist es aber im Prinzip. Das Verständnis des Flusses körniger Materialien wie Sand ist eines der größten ungelösten Probleme in der Physik.
Angenommen, Sie stellen eine Sanduhr her und füllen sie mit Sandgranulat, dessen Größe und Form bekannt sind. Sie werden keine Formel finden, die genau vorhersagen kann, wie lange Sand von einem Teil der Uhr zum anderen fließt oder ob er überhaupt fließt. Sie müssen nur experimentieren.
Karen Daniels, Physikerin an der North Carolina State University; Sie studiert Sand und andere körnige Medien (dieser Bereich wird als " Physik der weichen Materie " bezeichnet). Sie erzählte mir, dass eine der Schwierigkeiten beim Arbeiten mit Sand mit der Vielzahl von Eigenschaften von Sandkörnern zusammenhängt - Form, Größe, Rauheit usw. "Einer der Gründe, warum wir keine allgemeine Theorie haben, ist, dass all diese Eigenschaften wichtig sind."
Der Umgang mit einzelnen Sandkörnern ist jedoch nur der Anfang. "Man muss sich nicht nur um die Eigenschaften der Partikel kümmern, sondern auch um deren Organisation", sagte Daniels. Frei liegende Partikel erscheinen weich, weil sie Spielraum haben. Wenn die Partikel dicht gepackt sind, haben sie keinen Bewegungsspielraum mehr und fühlen sich bei Berührung fest an. Daher wirkt die Oberfläche des Sandstrandes weicher als die unteren Schichten - die Sandkörner in ihnen sind komprimiert und liegen näher beieinander.
Wir können keine allgemeine Sandtheorie finden, nicht weil wir uns anstrengen. Für viele Bereiche der Wissenschaft, von der Vorhersage von Erdrutschen bis zur Landwirtschaft, ist es äußerst wichtig, die Physik des Partikelflusses zu verstehen. Wir machen es einfach noch nicht sehr gut.
"Menschen, die in Chemiefabriken mit Maschinen arbeiten, die mit Partikeln umgehen, werden bestätigen, dass diese Maschinen sehr oft ausfallen", sagte Daniels. - Jeder, der versucht hat, eine automatische Kaffeemühle zu reparieren, weiß, dass ständig Partikel darin stecken bleiben. Diese Dinge funktionieren nicht sehr gut. "
Glücklicherweise bewegen wir uns nicht ganz durch Berührung, und wir können etwas darüber sagen, warum der Sand weicher oder härter erscheint.
In der Regel erscheint Sand mit abgerundeten Körnern weicher, da die Körner leichter zu gleiten sind. Auch das kleinere Granulat drückt nicht so fest auf die Haut. Wenn sie jedoch sehr klein sind, haften sie aufgrund von Feuchtigkeit zusammen, wodurch das Material klumpig und dicht erscheint.
Daniel sagte, das weichste frei fließende Material, das sie jemals berührt habe, sei Q-Cell, ein Quarzpulver, das die Risse in Surfbrettern füllt. Es besteht aus hohlen Körnchen, scheint also sehr leicht zu sein. Gleichzeitig ist Quarz schlecht benetzt, weshalb ein solches Pulver nicht verklumpt. Sie verglich die Art und Weise, wie dieses Pulver in einen Eimer mit sehr feinem und trockenem Strandsand gegossen wird.
Der Sandstrand von Q-Cell wäre sehr weich, aber nicht sehr angenehm. Feines trockenes Pulver ist kein Sand, sondern Staub, und das Einatmen von Staub ist für die Lunge sehr schädlich. Die Größe und Form der Sandkörner an einem idealen Strand sollte Weichheit, Feinheit, Klumpenbildung und viele andere Eigenschaften kombinieren, die den Sand weich und angenehm zum Gehen machen. Bei so vielen zu berücksichtigenden Faktoren ist es sehr schwierig zu sagen, was der ideale weiche Sand für einen Strand sein sollte.
Weitere experimentelle Daten müssen gesammelt werden.
