Hoe je het perfecte zandkasteel bouwt, volgens een natuurkundige

Natuurkundigen onderzoek de meest fundamentele aspecten van het universum. Quarks, snaartheorie, quantummechanica, alle belangrijke zoektochten om ons begrip van de wereld om ons heen te vergroten. Er is echter een veld wat ze genegeerd hebben. Tot nu toe. Hoe bouw je natuurkundig gezien het perfecte zandkasteel?

Drie jaar geleden kwam een internationaal team natuurkundigen en materiaalwetenschappers van universiteiten in België en Nederland bijeen om deze eeuwenoude vraag te beantwoorden. Ze deden experimenten om te bepalen wat de ideale compositie van een zandkasteel is, en publiceerden hun bevindingen in Nature.

De wetenschappers vulden cilindrische PVC-buizen van verschillende diameters met zand en sneden deze vervolgens open, waarbij er zuilen van zand overbleven van verschillende hoogtes.

Hun experimenten bevestigden wat ervaren zandkasteelbouwers al lang weten: een kasteel met een brede basis kan hoger gebouwd worden. Er is zelfs geen theoretisch limiet aan hoe breed en groot je kasteel gebouwd kan wordenmet genoeg nat, gecondenseerd zand. Het experiment lijkt misschien triviaal, maar de kunst van een goed zandkasteel bouwen kan toegepast worden in veel civiele techniek.

Motherboard interviewde Daniel Bonn, een natuurkundige aan de Universiteit van Amsterdam over hoe je zandkastelen kan bouwen waar je alle kinderen op het strand mee kan vernederen.

MOTHERBOARD: Je was een paar jaar geleden co-auteur van "How to Build the Perfect Sandcastle." Interessante materie voor natuurkundigen, lijkt me. Hoe kwamen jullie erop om dit onderzoek uit te voeren?

Daniel Bonn: We probeerden de mechanische eigenschappen van nat zand beter te begrijpen: dit is enorm belangrijk voor allerlei toepassingen (huizen, wegen en bruggen bouwen op zanderige ondergrond, of het oer-Nederlandse probleem van de stabiliteit van de dijken, bijvoorbeeld).

In het paper is te lezen dat "capillaire bruggen" tussen zandkorrels verantwoordelijk zijn voor hoe zand en water interacteren in gewichtsdragende structuren. Kan je kort uitleggen wat capillaire bruggen zijn en wat voor rol die hebben in de interactie tussen zand en water?

Waterdruppels en zeepbellen willen liever bolvormig zijn omdat deze vorm het totale oppervlak minimaliseert – oppervlakte creëeren kost energie. Een kleine hoeveelheid water tussen twee zandkorrels zal op dezelfde manier een brug vormen die het oppervlakte tussen lucht en water probeert te minimaliseren. Als één van de zandkorrels ten opzichte van de andere beweegt, ontstaat er meer oppervlakte. Dit kost energie, waardoor er dus weerstand is tegen die beweging.

Je kan dat zelf makkelijk voelen als je een glas met een platte bodem neerlegt op tafel. Als de tafel droog is, is het makkelijk om het glas op te pakken. Als men echter een druppel water tussen het glas en de tafel legt dan wordt het ineens heel moeilijk.

Welke andere factoren spelen mee bij een 'perfect' zandkasteel, dat zowel indrukwekkend als stevig is?

Men heeft een optimale hoeveelheid water nodig, maar moet er ook op letten dat het zand oplettend gecomprimeerd wordt. Professionele zandkastelenbouwer gebruiken de hele tijd thumpers [machines die ontworpen zijn om zand te comprimeren] om er zeker van te zijn dat het goed samengepakt is. Zie hieronder voor de karakteristieken van zand. Voor de rest moet je maar een prof spreken.

We weten dat de basis van een bouwwerk, de dichtheid van het zand, en de compositie van het zand allemaal verschil maken. Zijn er andere factoren waar bouwers rekening mee moeten houden, zoals het weer, atmosferische druk, zoet- of zoutwater, etc.?

Hoge vochtigheid en lage temperatuur voorkomen verdamping van het water; profs hebben spuitsystemen waarmee ze het zand vochtig houden. Zoutwater helpt ongetwijfeld: als het water opdroogt, blijven er zoutkristallen over die goed blijven plakken aan zandkorrels, om als een soort lijm te fungeren.

Ik weet dat geologie niet uw veld is, maar zijn er andere soorten zand – zoals hydrofobisch zand – die beter zijn dan andere soorten zand?

Ik denk niet dat hydrophobisch zand in de natuur voorkomt, al zou zand dat besmet is met ruwe olie misschien wel werken. Hoekige zandkorrels lijken te helpen, klei uit rivierbeddingen helpt ook, en kleine korrels hebben met grote diversiteit in grootte werkt ook.

You mention in the discussion section that, for typical beach sand, a castle column with a radius of 20 cm can get as high as 2.5 meters. Based on your findings, is there any upper limit, a point where increasing the radius of the base of your structure does not return you any increase in height?

In de discussie merken jullie op dat op een normaal strand, een kasteel met een basisstraal van 20 cm 2.5 meter hoog zou moeten kunnen worden. Zijn er gebaseerd op jullie bevindingen ook uiterste limieten, een punt waarbij het verbreden van de basis geen hoogte meer oplevert?

Nee, natuurkundig gezien niet in ieder geval. Maar als je de toren van Babel wil bouwen, krijg je weer te maken met andere problemen zoals dalende temperaturen en luchtdruk.

Wat is volgens jullie de beste manier om zand te comprimeren zoals jullie aanraden?

Thumpers! Thumper-vrachtauto's in het beste geval. En het zand lang laten liggen helpt ook een hoop: dit is wat men meestal doet bij het bouwen bruggen.

We zoeken trouwens stagiairs. Wil jij graag schrijven over alles wat met vooruitgang te maken heeft? Klik hier voor meer info.