Fysikk i sandkassa

Hva fysikere finner ut av å lage fine mønstre i sand, og hva det kan bety for deg.

Luft som sprøytes inn i våt sand skaper bevegelse og får fram hittil usette mønstre.

Eksperimentet ser i utgangspunktet veldig lett ut: man klemmer våt sand mellom to glassplater, blåser luft inn og – vips!- flotte mønstre oppstår. Men dette er ikke en intrikat form for kunsthåndtverk, men kompleks fysikk.

(Ikke er det sand og vann heller. Sandet er ørsmå glasskuler, vannet er blandet med glycerol - men for å gjøre det enkelt sier vi sand og vann – ok?)

 

Stor variasjon

Der fysikken vanligvis ser på materie som er i sin mest forutsigbare tilstand, studerer dette eksperimentet noe uforutsigbart:  I sand eller lignende kornete substanser utgjør små forandringer store forskjeller.

- Det er overaskende stor variasjon i strukturene som dannes avhengig av hvor fort man pumper inn luften og hvor mye sand man starter med i blandingen, forteller fysiker Bjørnar Sandnes fra Universitetet i Oslo.

 

Bjørnar SandnesBjørnar Sandnes

Ny kunnskap

Under et forskeropphold ved universitetet i Sydney har han i samarbeid med kolleger i Oslo gjort en lang rekke eksperimenter for å se hvordan forskjellige mønstre kan oppstå under gitte forutsetninger.

- Gjennom glassplaten ser vi hva som skjer når sand og vann strømmer sammen gjennom trange løp som kanaler og sprekker i bergrunnen. Siden stoffene ikke løser seg opp i hverandre blir det friksjon, og da oppstår det forskjellige mønstre ettersom hvilket stoff det er mest av i blandingen. Det er den universelle fysikken bak dette vi er ute etter, forklarer forskeren.

Gjennom eksperimentene har Sandnes og hans kolleger studert de fysiske kreftene som virker i systemet, og hvordan konkurransen mellom dem gir utslag i helt forskjellige strukturer om man endrer på betingelsene. Flere av strukturene har aldri blitt observert tidligere.

Overførbar oppskrift

Men hva får fysikerne -for ikke å glemme oss andre- ut av dette sandkasseeksperimentet?

Forskningen er et bidrag til forståelsen av den fundamentale fysikken, men har også en rekke praktiske anvendelser: Om man bytter ut  ingrediensene som er brukt i  forsøkene har man en oppskrift til å studere en rekke andre prosesser. Sandnes gir noen eksempler:

- Innen oljeindustrien er det for eksempel en stor utfordring å kunne transportere blandinger av olje, sand og naturgass over lengre strekninger uten at blandingen kiler seg fast, forklarer Sandnes.

- Et annet eksempel er CO2-lagring i undergrunnsreservoirer, hvor gass under høyt trykk pumpes inn og tar seg frem i de små rommene mellom sandkorn og langs sprekker og lagdelinger. Her vil friksjon fra løse sandmasser bidra til å bestemme hvor gassen ender opp til slutt.

Vakre forskningsresultater

En heldig bieffekt av denne forskningen er at dokumentasjonen av den er ganske iøyenfallende. Selv om jobben hans er å forstå fysikken bak formene og konsekvensene for industrien sier Sandnes seg enig:

- Man kan ikke la være å beundre skjønnheten. Vi lager lerettet, og naturen skaper kunsten.

 


Fakta: slik oppstår de forskjellige formene

Forskjellige mønstre oppstår ettersom man øker eller minsker injeksjonshastigheten av luft i blandingen

Fra venstre til høyre:

1) Når mengden sand i blandingen blir stor endrer sanden karakter til et mer eller mindre  fast porøst medium.

 

2) Ved høy injeksjonshastighet blir sanden dratt med av væskestrømmen. Da er det ikke lenger friksjonen, men de viskøse kreftene i blandingen som bestemmer hvordan gassen tar seg fremover i blandingen.

 

3) Ved sakte injeksjon fortrenges sandblandingen av tynne "fingre" av gass. For å bevege seg fremover må fingrene dytte tilside sanden, og det er friksjonen fra dette laget av sand som styrer prosessen.

 

4)Når sanden som dyttes fremover av gassen er tettpakket, men fluidisert, gir det utslag i spektakulære, korall-lignende mønster.

 

5)Hvis mengden sand er stor nok , blir friksjonen så stor at systemet "kiler seg" fast, og trykket må økes for å overvinne friksjonen. Når det endelig løsner, utvider den komprimerte gassen seg hurtig og danner en boble. Dette gjentas igjen og igjen slik at gassen fyller opp "sprekken" boble etter boble.

Av Pål Flodin
Publisert 6. mai 2011 05:00 - Sist endret 22. okt. 2014 11:26