Wie wird aus Sand + Wasser eine Sandburg?

Beim Spielen am Strand kann man immer wieder große und kleine „Sandskulpturen“ am Strand entdecken. Verstehen Sie mich nicht falsch, es sind diese Festungen aus Sand. Bei den Anfängermodellen handelt es sich lediglich um kleine Hügel, während die Modelle für Fortgeschrittene abwechslungsreich sind und Tier-, Menschen- und Cartoonformen umfassen. Die Formen der Sandskulpturen verändern sich ständig, als ob jedes Sandkorn eine Seele hätte.

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Beim Bau von Sandskulpturen müssen Sie Sand und Wasser mischen. Es wird allgemein angenommen, dass 8 Eimer Sand auf 1 Eimer Wasser ein angemesseneres Verhältnis ist. Der ursprünglich körnige und sehr lockere Sand kann nach Zugabe von Wasser zu einer festen Masse verklebt werden. An diesem Punkt können Sie große Sandklumpen wie Knetknete in verschiedene Formen bringen und sie wie Bauklötze zu Sandskulpturen zusammensetzen. Warum kann es also sein, dass der Sand durch die einfache Zugabe von etwas Wasser zusammenklebt?

01Die Magie der Wasser-Sand-Mischung

Wenn wir einen Haufen nassen Sandes vergrößern, werden wir feststellen, dass sich zwischen den Sandkörnern ein kleiner Abschnitt einer Wassersäule befindet und die Seitenfläche dieses Teils der Wassersäule nach innen konkav ist. In Tangentialrichtung der konkaven Flüssigkeitsoberfläche kann die Wassersäule eine Zugkraft auf die Sandpartikel auf beiden Seiten ausüben, wodurch die Sandpartikel auf beiden Seiten näher zueinander rücken und einen Effekt des Aneinanderklebens erzeugen.

Die Flüssigkeitsbrücken zwischen den Sandpartikeln können für eine Haftung sorgen, die im Wesentlichen auf der Oberflächenspannung der Flüssigkeit beruht. Bildquelle: @Institute of Physics, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Diese Phänomene haben alle wissenschaftliche Namen. Die Wassersäule zwischen den Sandkörnern wird als Flüssigkeitsbrücke bezeichnet. Die Spannung auf der konkaven Flüssigkeitsoberfläche wird als Oberflächenspannung der Flüssigkeit bezeichnet.

Die durch die Oberflächenspannung verursachte Adhäsion, Konvergenz und sogar Relativbewegung werden als Kapillarphänomene bezeichnet. Man erkennt, dass die Oberflächenspannung des Wassers der wesentliche Grund für die Haftung von Sandpartikeln ist. Wie sieht es also aus? Dies erfordert eine Erklärung aus einer eher mikroskopischen Perspektive. Ein Wassertropfen enthält eine große Anzahl von Wassermolekülen. Es gibt auch bestimmte Wechselwirkungen zwischen Molekülen, die als intermolekulare Kräfte oder Van-der-Waals-Kräfte bezeichnet werden. Wenn der Abstand zwischen zwei Molekülen zu gering ist, entsteht zwischen ihnen eine abstoßende Kraft. Wenn der Abstand zwischen zwei Molekülen zu groß ist, entsteht zwischen ihnen eine Anziehungskraft.

Die Beziehung zwischen der intermolekularen Kraft und dem Abstand zwischen Molekülen. Quelle: handgezeichnet vom Autor

Innerhalb eines Wassertropfens interagiert jedes Wassermolekül mit anderen Wassermolekülen in alle Richtungen: vorne, hinten, links und rechts. Aufgrund der Eigenschaften der intermolekularen Kräfte passen diese Wassermoleküle den Abstand zueinander automatisch an, sodass jedes Molekül den kombinierten Kräften anderer Moleküle in alle Richtungen ausgesetzt ist, um einen Gleichgewichtszustand zu erreichen. Es ist gleichbedeutend mit Anziehung und Abstoßung. In der dünnen Schicht zwischen der Oberfläche eines Wassertropfens und der Luft ist die Situation jedoch anders.

Anders als im Inneren eines Wassertropfens interagieren Wassermoleküle an der Oberfläche nur mit anderen Wassermolekülen im Querschnitt des Wassertropfens und nach innen, wodurch die Symmetrie von Raum und Kraft zerstört wird. Nachdem der Abstand automatisch angepasst wurde, ist die Verteilung der Wassermoleküle auf der Oberfläche geringer als im Inneren des Wassertropfens , und der Abstand zwischen den Molekülen wird vergrößert, was insgesamt einen anziehenden Effekt auf der Oberfläche des Wassertropfens widerspiegelt. Daher kommt die Oberflächenspannung.

Zum Verständnis der Entstehung der Oberflächenspannung dient ein theoretisch nicht ganz genaues, aber relativ leicht verständliches Diagramm. Die gepunktete Linie stellt die Verteilung der Moleküle auf der Flüssigkeitsoberfläche dar, und die durchgezogene Linie stellt die Verteilung der Moleküle innerhalb der Flüssigkeitsoberfläche dar. Es ist ersichtlich, dass der Abstand zwischen den Molekülen auf der Oberfläche größer ist, was die gegenseitige Anziehung auf der Oberfläche widerspiegelt. Bildquelle: handgezeichnet vom Autor

Durch die Oberflächenspannung wird die Oberfläche eines Wassertropfens zu einem gedehnten „dünnen Film“ . Bei der Flüssigkeitsbrücke zwischen Sandkörnern überträgt der gespannte „Film“ auf der Flüssigkeitsoberfläche eine Zugkraft auf die beidseitig verbundenen Sandkörner und fördert so deren Annäherung.

Allerdings ist die Oberflächenspannung eine relativ schwache Kraft. Wenn die Flüssigkeitsbrücke zu groß ist, kann die Oberflächenspannung der Schwerkraft der Flüssigkeit selbst nicht standhalten. Die Flüssigkeitsbrücke bricht zusammen und die Sandpartikel verlieren ihre Bindung. Um eine solide Sandskulptur zu bauen, ist es daher nicht unbedingt besser, mehr Wasser hinzuzufügen.

Untersuchungen haben gezeigt, dass die Flüssigkeitsbrücken umso größer werden, je mehr Wasser sich im Sand befindet, wodurch die Bindungswirkung weiter verstärkt wird. Bei weiterer Vergrößerung der Flüssigkeitsbrücke nimmt jedoch die Bindungskraft entsprechend ab. Innerhalb eines bestimmten Feuchtigkeitsgehaltsbereichs sind die Kräfte, die den Sand zusammenhalten, unabhängig vom Feuchtigkeitsgehalt. Im Weltraum kann die Größe der Flüssigkeitsbrücke aufgrund der Mikrogravitation jedoch sehr groß werden. In unserem Tiangong-Klassenzimmer gab uns der Astronautenlehrer Wang Yaping eine anschauliche Demonstration. Auch auf der Internationalen Raumstation wurde eine Flüssigkeitsbrücke mit einem Durchmesser von 50 mm gebaut.

Flüssigkeitsbrücken auf der Erde sind höchstens wenige Millimeter breit, während Flüssigkeitsbrücken im Weltraum sehr groß sein können. Bildquelle: Tiangong Classroom Die Oberflächenspannung trägt nicht nur dazu bei, dass Sandkörner aneinander haften, sondern ist auch in vielen Szenen des Lebens zu sehen. Wenn eine Tasse mit Wasser gefüllt ist, kann der Flüssigkeitsspiegel eine gewisse Strecke über der Tassenöffnung liegen, ohne dass etwas verschüttet wird. Dies liegt daran, dass die Oberflächenspannung die Bewegung der Flüssigkeit im Inneren einschränkt, was einer Schicht aus elastischem Film entspricht, der das Wasser festhält. Insekten wie Wasserläufer können frei auf der Wasseroberfläche laufen, da die Oberflächenspannung der Flüssigkeitsoberfläche eine gewisse Tragfähigkeit verleiht. Pflanzen können Wasser und Nährstoffe spontan aus dem Boden aufnehmen, indem sie sich auf die Oberflächenspannung verlassen, um die Schwerkraft der Flüssigkeit zu überwinden und so den Transport von unten nach oben zu vollziehen.

Die Oberflächenspannung spielt im gesamten Leben eine Rolle. Quelle: sohu

02Was ist Weltraumsand, der sich ansammeln und verteilen kann?

Jetzt sollten Sie verstehen, warum Wasser als Bindemittel in Sandskulpturen wirken kann. Aber einige Freunde haben vielleicht neue Fragen: Es gibt eine Art Weltraumsand, der ohne Zugabe von Wasser in verschiedene Formen gebracht werden kann. Welches Prinzip steckt dahinter? Weltraumsand ist im Wesentlichen gewöhnlicher Sand, der speziell behandelt wurde, das heißt, er ist mit Silikon (allgemein bekannt als „Silikonöl“) überzogen. Dabei handelt es sich um ein organisches Siliziumoxidpolymer, das aus Silizium und Sauerstoff besteht und dessen Struktur aus einer Reihe sich wiederholender Einheiten besteht, die zu langen Kettenmolekülen verknüpft sind. Silikone werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt, von alltäglichen Konsumprodukten wie Kosmetika, Lotionen, Shampoos und Spülungen bis hin zu Schmier- und Dichtungsmitteln im Industriesektor.

Silikone weisen einzigartige physikalische Eigenschaften auf. Es kann als frei fließende Flüssigkeit oder als langsam fließender halbfester Zustand vorliegen, wenn keine äußere Kraft ausgeübt wird. Sobald jedoch Druck ausgeübt wird, nimmt es eine feste Form an, die Gummi ähnelt. Diese Eigenschaft, den physikalischen Zustand bei Änderungen der angewandten Last anzupassen, wird als Viskoelastizität bezeichnet. Der Grad der Viskoelastizität hängt eng mit der Länge der Polymerketten im Silikon zusammen.

Weltraumsand, ein viskoelastisches Material, kann unter verschiedenen Belastungsbedingungen die Viskosität einer Flüssigkeit oder die Elastizität eines Feststoffes aufweisen. Bildnachweis: @科林

Siliziummaterial Im Weltraumsand wirken die Polymerketten des Silikons wie Klebstoffe, die die Sandpartikel fest miteinander verbinden, sodass der Sand nach Belieben geknetet und wie Plastilin in verschiedene Formen gebracht werden kann. Wenn jedoch die äußere Kraft entfernt wird, fließt der Weltraumsand aufgrund der Viskoelastizität des Materials mit der Zeit langsam wie eine Flüssigkeit, wodurch die geformte Form allmählich abflacht und schließlich zusammenbricht. Ob es sich um gewöhnlichen Sand mit Wasser oder neuartigen Weltraumsand handelt, das Formen von Sandskulpturen kann uns Freude bereiten. Wie lange ist es her, dass Sie mit Sand gespielt haben? Machen Sie nach der Lektüre dieses Artikels selbst eine Sandskulptur!

Autor: Wei Anran, Anwendungsingenieur, PhD in Mechanik, Shanghai Jiao Tong University

Planung & Redaktion: Tiara

Quelle des Titelbildes: Photo Network