Proč jsou stopy v mokrém písku nakrátko suché?

Když se procházíte po mokrém písku, můžete si všimnout zajímavého jevu. Písek, na kterém právě stojíte, se zdá být světlejší a sušší než zbytek pláže. Je to trik nebo optický klam? (délka blogu 5 min.)

Podobnými jevy se zabývá relativně mladé fyzikální odvětví – fyzika granulovaných materiálů. Zkoumá kolektivní vlastnosti malých pevných částic,  materiálů, ke kterým patří například obyčejný písek.

Poté, co stoupnete na vlhký písek, zesvětlá a zdá se, že trochu oschl. Když nohu zase zvednete, vrátí se do původního stavu. Fenomén, který pozorujeme na pláži s mokrým pískem, se jmenuje „dilatance“.

Za tyto a jiné zajímavé změny může fakt, že se písek chová jako výjímečný materiál. Některé jeho vlastnosti se projeví dokonce jen v přítomnosti vody nebo vlhkosti.

Co je těžší? Krychlový metr suchého nebo mokrého písku?

Písek se skládá z malých zrníček (0,063 až 2 mm), které se navzájem dotýkají nevelkými ploškami. Protože nejsou zrnka stejnoměrná ani stejně velká, nachází se mezi nimi také malé proluky. Když se do nich dostane voda nebo vlhkost, postarají se kapilární jevy mezi zrníčky písku o vznik síly, která zrníčka slepuje. Voda je nejen lepí k sobě, zároveň je také dobrým mazadlem, které umožňuje vzájemný posun jednotlivých částeček. Písek se vlivem těchto dvou jevů zhutňuje. Jednotlivá zrnka se slepují a vzájemně se posouvají, takže písek pak zaujme určitý minimální objem.

Mimochodem - ze stejného důvodu se písek převáží hlavně v mokrém stavu.  Mokrého písku se jednoduše vejde na korbu auta víc, než suchého. 

Co se děje s mokrým pískem na pláži?

Písek je na plážích smáčen vodou vln. Díky výše popsanému vlivu vody se ukládá do zhutnělého stavu poté, co vlna pláž opustila.

Když pak kráčíte po mokrém písku, ničíte jeho perfektní strukturu váhou svého těla. Na zrníčka písku působí díky vaší váze určitá síla. Díky tomu, že se zrnka navzájem dotýkají, může se tato síla přenášet mezi jednotlivými zrnky nejen svisle ale také horizontálně. Zrnka písku ve spodních vrstvách se nemohou posouvat svislým směrem (dolů) – zato se mohou pohybovat do stran. Vznikají mezi nimi větší proluky nebo póry.

Na povrchu se taková narušená vrstva písku jeví sušší a světlejší. Gravitace totiž donutí ono malé množství vody, které bylo v písku původně přítomné, klesat do níže položených (a nyní rozšířených) pór.

Jakmile přestane tlak působit, začnou se písková zrnka znovu pod vlivem kapilárních sil „rovnat“ do optimální a hutnější struktury. Písek zase ztmavne nebo se na jeho povrchu ve šlápotě po lidské noze dokonce vytvoří louže z přebytečné vody.

Hrátky vody s pískem

Písek hraje s vodou často překvapivou hru. O tom, jak se bude chovat směs vody a písku, rozhoduje jejich vzájemné množství.

Suchý písek, ve kterém není žádná vlhkost, se chová tak trochu jako kapalina. Proteče vám mezi prsty, protože se jednotlivá zrnka vzájemě neslepují.

Když se do písku dostane jen určité menší množství vody,  stává se původně sypký písek pevnou hmotou. Jednotlivá zrnka písku přitom drží pohromadě kapilární síly a koheze. Z takového písku se dají stavět různé stavby, které drží pohromadě tak dlouho, dokud písek nevyschne. Za optimální se považuje zhruba 125 ml vody na 1000 ml běžného písku. Směs má v tomto stavu největší soudržnost.

Pokud se do písku dostane větší množství vody, než jaké je potřebné ke kohezi, stává se z něj tekutá a plastická, kašovitá hmota. Čerstvá písečná „kaše“, která má ještě poměrně velké množství vody, se vyznačuje tím, že jsou zrnka písku od sebe dostatečně vzdálená. Při otřesu mohou ztratit kontakt úplně – jevu se říká tekutý písek.

Materiál s velkým přebytkem vody je pak vlastně jen velkým množstvím zrnek, rozptýlených v kapalině.  Není divu, že se také jako kapalina chová.

Pokračování příště: Tekutý písek – dá se v něm utopit?