Ein kleiner Exkurs in physikalische Phänomene bewegter Sandmassen
1. Warum kann man mit einer Sanduhr Zeit messen ?

Mit den Augen eines Physikers betrachtet ist Sand eine ebenso spannende wie komplizierte Materie, die manche überraschende Verhaltensweise zeigt, sich teils wie ein Festkörper, teils wie eine Flüssigkeit verhält. 
Schon eine einfache ® Sanduhr kann sich als aufschlußreiches Versuchsinstrument erweisen. Auf den ersten Blick ähnelt das gleichmäßige Rieseln der feinen Gesteinskörnchen dem Ausgießen einer Flüssigkeit. Doch es gibt einen wesentlichen Unterschied. Die Flüssigkeitsmenge, die durch eine Öffnung fließt, hängt von der Höhe der Flüssigkeitssäule über dieser Öffnung ab. Dagegen rinnt in einer Sanduhr immer die gleiche Menge Sand pro Zeiteinheit durch die Verengung, unabhängig von der Höhe der Sandsäule darüber. Das ist auch der Grund, weshalb Sand überhaupt zur Zeitmessung genutzt werden kann.
 

Diese konstante "Fließ-Geschwindigkeit" des Sandes beruht auf der besonderen Art der Kraftübertragung in einem Sandhaufen, die über die Berührungspunkte zwischen den Körnern erfolgt. In einer dichten Sandpackung bilden diese Kontakte ein Netzwerk, in dem bogenförmige Brücken entstehen können (ähnlich den Gewölben in gotischen Kathedralen), welche den Druck auf die Seitenwände der Sanduhr leiten. Unten liegende Sandschichten werden auf diese Weise vom Gewicht des darüber befindlichen Sandes mehr oder minder entlastet, so dass der "mittlere" Druck oberhalb der Verengung in der Sanduhr auch bei sich verändernden Sandhöhen praktisch konstant bleibt.


Die stützende Wirkung der Kornbrücken läßt sich auch mit einem einfachen Experiment demonstrieren. Stellen Sie einen Holzstab in ein nicht zu schweres Gefäß und füllen den verliebenen Raum mit Sand (Foto links). Anschließend sorgen Sie durch vorsichtiges Klopfen gegen das Gefäß dafür, dass sich der Sand setzt (anders ausgedrückt: eine dichtere Packung erhält). Bei hinreichender Verdichtung lässt sich das sandgefüllte Gefäß ohne weiteres am Stab anheben (Foto rechts).
Das Gelingen des Experimentes hängt auch mit einer weiteren Sand-Eigenschaft zusammen: Dichte Kornpackungen reagieren bei Verformung mit einer Auflockerung des Korngefüges, Fachbegriff: Dilatanz. Das Herausziehen des Stabes würde ein gewisses Maß an Auflockerung erfordern, die infolge der starren Behälterwände jedoch unterbunden wird. 
Gleiches gilt übrigens auch für vakuumverpackten Kaffee. Die Packung verhält sich deswegen so stabil, weil die Bewegung der Kaffeepartikel und die damit verbundene Dilatanz durch den Druck der Atmosphäre verhindert wird, die auf der Packung lastet.
Für einen Beitrag im Wissenschaftsmagazin GALILEO auf PRO 7 wurde das Experiment übrigens in wesentlich größerem Maßstab umgesetzt. Als "Holzstab" diente hierbei ein schmaler Baumstamm und das Gewicht der Sandfüllung lag bei etwa 300 kg !
zum Fernsehbeitrag

Sand eXtrem
( Galileo/Pro7 )

Das Phänomen der Dilatanz begegnet Ihnen sogar am Strand, wenn Sie nahe der Wasserlinie durch den feuchten Sand spazieren. Bei genauem Hinsehen werden Sie feststellen, dass die Sandoberfläche um den eben abgesetzten Fuß herum kurzzeitig trockener erscheint. Die Ursache: durch Ihr Gewicht werden die Sandkörner unter Ihrem Fuß auseinander gedrückt, so dass sich dort der Porenraum (die "Löcher zwischen den Körnern") vergrößert und mehr Raum für das seitlich zuströmende Wasser bietet.
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