Když děti dělají v pískovišti bábovičky, tak ještě netuší, že si vlastně hrají s … fyzikou. Jaké výšky může dosáhnout ultimativní bábovička? (délka blogu 3 min.)
Naplnit formičku pískem, poklepat na ni, otočit a rychle položit na zem. Už od mala víme, že písek má být trochu vlhký, protože ze suchého materiálu se bábovičky prostě dělat nedají. Malé dítě to samozřejmě neví, ale vy to tušíte … na vině je fyzika.
Úplně suchý písek má zajímavé vlastnosti. I když se jedná o zjevně pevnou látku, chová se spíše jako kapalina. Pokud ho naberete do nádoby, přijme tvar nádoby, stejně jako například voda. Když ho žene vítr po krajině, vytváří duny a dostává tak tvar podobný vlnám na moři. Na bábovičky se nehodí, protože nemá soudržnost a doslova protéká mezi prsty, stejně jako kapalina. Pokud se ale tato pseudo tekutá hmota dostane do kontaktu se skutečnou kapalinou, vodou, vše se okamžitě změní. Vlhký písek neteče, dá se hníst a zachovává si určitý tvar.
Ideální množství vody
Ukázalo se, že ideálním množstvím vody, která dělá z tekutého suchého materiálu tvárnou hmotu, odpovídá jednomu až pěti objemovým procentům - pokud stavíte hrady nebo bábovičky z běžného písku s víceméně kulatými zrny.
Pokud je písek složen ze špičatějších nebo dokonce porézních zrn, může být vody i více.
Přitom je zajímavé, že nezáleží, jestli je vody jen jedno procento nebo třeba tři. Písek se ve všech případech chová stejně. Teprve při překročení určité hranice se znovu zkapalňuje, tentokrát proto, že se pevný tvar ve vodě jednoduše rozteče.
Vysvětlení je v podstatě jednoduché. V písku, který se hodí k výrobě báboviček nebo třeba hradu na pláži, vedle sebe zároveň koexistují zrnka písku i voda a dokonce bublinky vzduchu.
Každé zrnko písku má přitom kontakt hned s několika sousedními zrnky (obvykle jich bývá pět). Voda tvoří drobné můstky mezi zrnky písku v místech, kde se zrnka dotýkají.
Fyzikální zákony pak způsobují, že je tlak v kapalině v oblasti můstků nižší než atmosférický tlak ve vzduchu kolem ní. Tento tlakový rozdíl vytváří přitažlivost mezi dvěma zrnky písku, která je drží pohromadě.
Uvnitř vlhké hromady písku se tedy tvoří vysoce složitá síť vodních můstků, i když většina objemu mezi zrnky písku i nadále zůstává vyplněna vzduchem.
Pokud nyní smícháte písek s trochou vody, síť vodních mostů získá jiný tvar a mosty získají jinou tloušťku - princip to ale nemění. Většina mezer zůstává i nadále vyplněna vzduchem a stabilita pískové stavby zůstává zachována. Teprve když je vody příliš mnoho, zmizí bubliny vzduchu, takže zrnka písku doslova začínají ve vodě plavat - a stavba se hroutí.
Kompaktifikace a zhutnění
Za soudržnost mezi zrnky písku jsou zodpovědné kapilární síly. Spojení mezi zrnky písku, známá jako kapilární můstky, existují pouze tehdy, jsou-li mezery malé. Toho se dá docílit zhutněním materiálu - lépe řečeno poklepáním, které písek ve formě zhutňuje.
Maximální možná výška bábovičky
Vědci dokonce vypočítali, jakou maximální výšku může mít stavba, vytvořená z vlhkého písku. Logicky se musí při určité velikosti zhroutit pod svou vlastní vahou - zatímco ji drží pohromadě vodní můstky mezi zrnky, působí na ni totiž zároveň také gravitace.
U běžného písku a běžné vody - je to kolem pěti metrů.
Je také zajímavé, že čím čistší je voda a čím chemicky čistší je písek, tím je stavba z nich méně pevná. Příměsi totiž mohou hrát roli tmelu, který pomáhá držet stavbu pohromadě i poté, co se o to už nemohou postarat kapilární síly.
