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1.
Warum kann man mit einer Sanduhr Zeit messen ?
Mit den Augen eines Physikers
betrachtet ist Sand eine ebenso spannende wie komplizierte Materie, die
manche überraschende Verhaltensweise zeigt, sich teils wie ein Festkörper,
teils wie eine Flüssigkeit verhält.
Schon eine einfache ®
Sanduhr
kann sich als aufschlußreiches Versuchsinstrument erweisen. Auf den
ersten Blick ähnelt das gleichmäßige Rieseln der feinen
Gesteinskörnchen dem Ausgießen einer Flüssigkeit. Doch
es gibt einen wesentlichen Unterschied. Die Flüssigkeitsmenge, die
durch eine Öffnung fließt, hängt von der Höhe der
Flüssigkeitssäule über dieser Öffnung ab. Dagegen rinnt
in einer Sanduhr immer die gleiche Menge Sand pro Zeiteinheit durch die
Verengung, unabhängig von der Höhe der Sandsäule darüber.
Das ist auch der Grund, weshalb Sand überhaupt zur Zeitmessung genutzt
werden kann.
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Diese konstante "Fließ-Geschwindigkeit"
des Sandes beruht auf der besonderen Art der Kraftübertragung in einem
Sandhaufen, die über die Berührungspunkte zwischen den Körnern
erfolgt. In einer dichten Sandpackung bilden diese Kontakte ein Netzwerk,
in dem bogenförmige Brücken entstehen können (ähnlich
den Gewölben in gotischen Kathedralen), welche den Druck auf die Seitenwände
der Sanduhr leiten. Unten liegende Sandschichten werden auf diese Weise
vom Gewicht des darüber befindlichen Sandes mehr oder minder entlastet,
so dass der "mittlere" Druck oberhalb der Verengung in der Sanduhr auch
bei sich verändernden Sandhöhen praktisch konstant bleibt. |
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Die
stützende Wirkung der Kornbrücken läßt sich auch mit
einem einfachen Experiment demonstrieren. Stellen Sie einen Holzstab in
ein nicht zu schweres Gefäß und füllen den verliebenen
Raum mit Sand (Foto links). Anschließend sorgen Sie durch vorsichtiges
Klopfen gegen das Gefäß dafür, dass sich der Sand setzt
(anders ausgedrückt: eine dichtere Packung erhält). Bei hinreichender
Verdichtung lässt sich das sandgefüllte Gefäß ohne
weiteres am Stab anheben (Foto rechts).
Das Gelingen des Experimentes
hängt auch mit einer weiteren Sand-Eigenschaft zusammen: Dichte Kornpackungen
reagieren bei Verformung mit einer Auflockerung des Korngefüges, Fachbegriff:
Dilatanz.
Das Herausziehen des Stabes würde ein gewisses Maß an Auflockerung
erfordern, die infolge der starren Behälterwände jedoch unterbunden
wird.
Gleiches gilt übrigens
auch für vakuumverpackten Kaffee. Die Packung
verhält sich deswegen so stabil, weil die Bewegung der Kaffeepartikel
und die damit verbundene Dilatanz durch den Druck der Atmosphäre verhindert
wird, die auf der Packung lastet.
Das Phänomen der Dilatanz
begegnet Ihnen sogar am Strand, wenn Sie nahe der Wasserlinie durch den
feuchten Sand spazieren. Bei genauem Hinsehen werden Sie feststellen, dass
die Sandoberfläche um den eben abgesetzten Fuß herum kurzzeitig
trockener erscheint. Die Ursache: durch Ihr Gewicht werden die Sandkörner
unter Ihrem Fuß auseinander gedrückt, so dass sich dort der
Porenraum (die "Löcher zwischen den Körnern") vergrößert
und mehr Raum für das seitlich zuströmende Wasser bietet. |
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