5. – 13. Schuljahr

Hans Joachim Schlichting

Wie Sand am Strand

Trockener Sand rinnt wie eine Flüssigkeit durch die Finger. Vom Wind verweht, bildet er jedoch teilweise sehr komplexe wellenartige Muster aus, die sich als Sandrippel und Sanddünen fortbewegen. Am Strand sinkt man tief in den trockenen Sand ein. Es ist anstrengend, darüber zu laufen. Lässt man den Sand in Gefäße fließen, so nimmt er nahezu wie eine Flüssigkeit die Gefäßform an.
Aber kaum gerät Sand mit Wasser dem Inbegriff einer echten Flüssigkeit in Berührung, ist plötzlich alles anders: Feuchter Sand wird fest, und am Meeressaum kann man auf ihm gehen, ohne einzusinken. Er ist dann auch formbar und taugt zum Bau von Sandburgen und anderen Skulpturen. Doch sobald durch die Flut oder andere Umstände die Wässerung überhandnimmt, zerrinnen die Burgen und fließen die Pisten der Läufer dahin.
Liebe des Sandes zum Wasser
Um die Wechselwirkung zwischen Wasser und Sand genauer zu studieren, schüttet man in einer flachen Schale eine Portion Sand auf und gibt etwas Wasser an den unteren Rand hinzu. Innerhalb kurzer Zeit wird das Wasser vom Sand wie von einem Schwamm aufgenommen. Sofern genügend Wasser vorhanden ist, überzieht sich jedes Sandkörnchen mit einem dünnen Feuchtigkeitsfilm (s. Abb. 3).
Ursache für diesen selbsttägigen Vorgang ist die „Wasserliebe (Hydrophilie), also die Benetzbarkeit des Sandes: Für die Ausbildung einer Grenzfläche zwischen Sand und Wasser ist weniger Grenzflächenenergie nötig als zwischen Sand und Luft. Und da die Natur bestrebt ist, so viel Energie wie möglich an die Umgebung abzugeben, steigt das Wasser auch gegen die Schwerkraft durch die feinen Kanäle (Kapillare) zwischen den Sandkörnchen auf.
Die Sandkörnchen werden auf diese Weise durch eine Kapillarbrücke fest miteinander verbunden, was sich als Anziehung zwischen Sand und Wasser bemerkbar macht (s. Abb. 4). Darin kommt zum Ausdruck, dass die Energie, die infolge der Benetzung frei wurde, wieder aufgebracht werden muss, um die Teilchen wieder voneinander zu trennen. Die Anziehung zwischen Sand und Wasser ist so stark, dass sich ein Kollektiv von befeuchteten Sandkörnern zu einer möglichst dichten Packung organisiert. Unterstützt wird dieser Vorgang dadurch, dass Wasser außerdem wie ein Schmiermittel wirkt und die Reibung zwischen den Sandkörnern stark herabsetzt.
Sand unter Druck
Damit wird klar, warum der feuchte Sand unter den Füßen so fest ist. Dadurch, dass der feuchte Sand eine dichteste Packung angenommen hat, würde jegliche Verschiebung der Körnchen gegeneinander einen Übergang in eine weniger dichte Packung nach sich ziehen. Das hieße aber, dass die fest aneinander haftenden Sandkörnchen voneinander entfernt würden und ein größeres Volumen einnehmen müssten. Die unter den Füßen gefühlte Härte des feuchten Sandes hat demnach ihre Ursache im Widerstand gegen die Vergrößerung des Abstands zwischen den Sandkörnchen. Denn dazu muss verhältnismäßig viel (Grenzflächen-)Energie aufgebracht werden.
Trotz der Härte des Sands kommt es beim Aufsetzen des Fußes zu einer gewissen Volumenvergrößerung, weil der Fuß ein wenig einsinkt und Sand zu den Seiten wegdrückt. Das ist an dem häufig auftretenden trockenen Hof zu erkennen, der den Fuß zum Zeitpunkt des größten Drucks umgibt (s. Abb. 5 ). Denn die durch die Volumenzunahme vergrößerten Abstände zwischen den Sandkörnern haben zur Folge, dass mehr Feuchtigkeit aufgenommen werden kann, die dann von der Oberfläche abgezogen wird.
Das Phänomen lässt sich leicht nachstellen: Man füllt einen flexiblen Plastikbehälter mit Sand und tränkt ihn mit Wasser, so dass er mit einer sehr dünnen Wasserschicht bedeckt ist (Abb. 6 links). Drückt man nun den Behälter etwas zusammen, so dass sich der Sand etwas aufwölbt, läuft er sofort trocken (Abb. 6 rechts).
In beiden Fällen, beim deutlich sichtbaren Hof um die Fußspur und beim gescherten Sand im Behälter, ist die Trockenlegung vor allem daran zu erkennen, dass der Sand...

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