If I cut every grain of sand on a beach into a perfect sphere, will it act like a liquid? Would the sand ripple? Would I be able to dive into a pool of spherical sand?
"Willkommen in der wunderbaren Welt der Physik der granularen Materie."
Wenn du eine ungeordnete Menge "Granulat" hast - sei es nun Sand, seien es Murmeln, Reiskörner oder was auch immer - kannst du beobachten, dass sie sich manchmal wie ein Festkörper verhält und manchmal wie eine Flüssigkeit.
Das hat oft seine Vorteile - es ist schön, Zucker in den Kaffee schütten zu können, anstatt einen Stück aus einem massiven Brocken heraushacken zu müssen.
Und manchmal ist es absolut katastrophal.
Zum Beispiel dann, wenn ein Erdbeben eine "Bodenverflüssigung" zur Folge hat.
Oder auch dann, wenn man aus einem Silo Schüttgut herauslassen möchte und das Material im Inneren plötzlich stecken bleibt.
Das bezeichnet man als "Brückenbildung".
Das ist eine extrem gefährliche Situation, die dazu führen kann, dass die Silowände brechen.
Die Silowände biegen oder knicken sich aufgrund des Unterdrucks im Hohlraum unter dem festsitzenden Material nach innen.
Wie kann es dazu kommen?
Der Teil der Physik, der hier zum Tragen kommt, nennt sich "Jamming Transition".
Wenn die Teilchen nicht zu dicht "zusammengepackt sind", können sie fließen.
Wenn sie aber sehr eng gepackt sind - wenn also im Grunde jedes Teilchen von einem anderen festgehalten wird - dann haben wir einen "festen Stoff".
Im Video unten sehen wir, wie das bei einer Roboterhand eingesetzt werden kann.
Wenn man an den kleinen Beutel, der den Sand enthält, ein Vakuum anlegt, zieht dieser sich plötzlich zusammen und ist in der Lage, alle möglichen Dinge festzuhalten.
Dieser Übergang ist sehr markant - ganz ähnlich wie der Übergang von Wasser zu Eis.
Also, wie verflüssigt man Sand?
Dazu braucht man etwas, um die Sandkörnchen auseinander zu drücken. Das geht zum Beispiel mit Wasser oder Luft, die man durch das Material presst. Auch langes, starkes Schütteln führt zu einem ähnlichen Ergebnis und zu einem Fließen des Materials.
Um nun auf die Frage zurückzukommen - was passiert, wenn man alle Sandkörner zu perfekten Kugeln schleifen würde…
Da der Übergang von festem zu "flüssigem" Materials erfordert, dass die Sandteilchen sich voneinander lösen, wäre es einfacher, die Körner zu schütteln oder sie einfach auseinander zu drücken, wenn sie schön glatt sind - und nicht zu rau.
Aber auch das führt in der Regel nicht sofort zu einem flüssigen Zustand.
Selbst bei perfekt glatten "Sandkugeln" berührt jede einzelne im Schnitt mindestens 6 andere und das blockiert alle 3 Richtungen der Bewegung. Es sind nämlich immer andere Sandkugeln im Weg.
Komm aber bitte nicht auf die Idee, auf einem Rüttelbrett einen riesigen Swimming-Pool aus "geglättetem Sand" zu bauen, um darin zu schwimmen.
Du würdest stecken bleiben, untergehen - und das wär's dann…