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Physik im Alltag und Naturphänomene, Rubrik: "Schlichting! ", Strukturbildung, Selbstorganisation & Chaos

Spaziergang am Meer

Schlichting, H. Joachim. In: Spektrum der Wissenschaft 42/8 (2011), S. 54-55

Fußspur_StrandrvWeil sich Wasser gern um Sandkörner legt, läuft man am Strand zuweilen wie auf einem befestigten Weg.

Ich meine nicht den Wüstensand,
Den Tummelplatz des wilden Hirschen;
Die Körner mein’ ich, die am Strand
Des Meeres unter mir erknirschen.
Ferdinand Freiligrath (1810 – 1876)

Direkt am Meeressaum spazieren wir bei einer Strandwanderung wohl am liebsten. Schließlich ist dort das Wasser nah und das Meeresrauschen am beeindruckendsten. Doch es dürfte auch noch einen sehr praktischen Grund geben. Der nasse Sand am Meeresrand ist fest und hart, man läuft fast wie auf einem befestigten Weg. Weiter ab vom Wasser ist man beim Gang durch den trockenen – überdies oft brennend heißen – „Zuckersand“ hingegen froh, überhaupt voran zu kommen.

Von festem Untergrund kann man sich in einer Art elastischem Stoß abdrücken. Das heißt, dass kaum Bewegungsenergie in Form von Wärme oder durch die Verformung des Bodens verloren geht. Doch was, wenn die Sandkörnchen leicht gegeneinander verschiebbar sind? Dann drücken wir sie zunächst nach unten weg. Weil der Boden dort dichter wird, weichen sie schließlich zu den Seiten hin aus, während die Füße tief einsinken. Die Wechselwirkung zwischen Füßen und Boden ist in diesem Fall sehr unelastisch: Die aufgewandte Energie dient weniger dem Vortrieb als dazu, Unmengen von Sandkörnern zu verschieben – man hat wortwörtlich keinen festen Boden mehr unter den Füßen. Erst vergleichsweise spät kommen die zunächst locker zusammen gefügten Partikel durch ihre Reibung untereinander endlich zum Stillstand.
Zuckersand erinnert eher an eine Flüssigkeit als an einen Festkörper. In der Tat: Schon als Kinder haben wir die Erfahrung gemacht, dass er wie Wasser durch die Finger fließt. Wir wissen auch, dass er in einem Gefäß, wenn man es nur etwas rüttelt, eine ebene Oberfläche ausbildet. Sandburgen lassen sich mit trockenem Sand hingegen nicht bauen. Doch warum ist nur feuchter Sand fest? Wäre nicht das Gegenteil viel plausibler? Schließlich könnte man denken, dass Wasser zwischen den Körnern diese besonders leicht aneinander entlang gleiten lässt – sozusagen wie geölt? Wie noch zu zeigen ist, erleichtert das Wasser tatsächlich das Gleiten der Sandkörner, aber nur in einer Richtung!
Sandkörner umgeben sich gern mit Wasser. Häuft man eine Portion davon in einer flachen Schale auf und gibt etwas Wasser an den unteren Rand des Schütthaufens, durchnässt es den Haufen in sehr kurzer Zeit, bis jedes Sandkörnchen mit einem Feuchtigkeitsfilm überzogen ist. Zwar muss dafür Höhenenergie aufgebracht werden. Doch für die Ausbildung einer Grenzfläche zwischen Wasser und Sandkorn ist weniger Grenzflächenenergie nötig als für die Ausbildung einer Grenzfläche zwischen Wasser und Luft. Diese Differenz stellt Energie zur Verfügung, sogar mehr als nötig. Der Überschuss geht durch Dissipation verloren, also als Wärme an die Umgebung. Die Minimierung der Grenzflächenenergie ist Ausdruck der universellen Tendenz in der Natur, die Entropie zu erhöhen.
Die Anziehung zwischen Sand und Wasser ist sogar so stark, dass sich ein Kollektiv von befeuchteten Sandkörnern zu einer möglichst dichten Packung organisiert. Dabei wirkt das Wasser außerdem wie ein Schmiermittel und setzt die Reibung zwischen den Sandkörnern stark herab.
Mit diesen Ergebnissen gerüstet können wir auf die Eingangsfrage zurückkommen: Warum ist der feuchte Sand unter den Füßen so fest? Offenbar hat er die unter den gegebenen Bedingungen dichtest mögliche Packung angenommen. Würde man die Sandteilchen gegeneinander verschieben, wären sie also weniger dicht. Doch dazu müsste man die fest aneinander haftenden Sandkörnchen voneinander entfernen, was nur unter Aufwand (Grenzflächen-)Energie zu haben ist, was bei so vielen Teilchen zu einer ansehnlichen Größe summiert. Der Boden widersetzt sich also dem Druck unserer Füße und wirkt darum ganz hart.
Und doch geschieht etwas mit ihm. Wenn wir den Fuß auf feuchten Sand aufsetzen, machen wir eine auf den ersten Blick merkwürdig erscheinende Entdeckung: In dem Maße, in dem wir den Druck auf den Boden steigern, breitet sich ein Hof trocken gelegten Sandes aus. Seine maximale Ausdehnung erreicht er, wenn der Fuß fest aufgesetzt ist. Hebt man ihn wieder an, so sammelt sich Wasser in der Delle, die wir in den Boden gedrückt haben. In dem Maße, in dem die Fußspur verschwindet, verschwindet auch das Wasser wieder.
Denn ein wenig geben die Sandkörner doch nach. Sie werden vom einsinkenden Fuß zu den Seiten weggedrückt und dort aufgewölbt. Da die Sandkörner kleine Brücken bilden, die wie eine Torwölbung die Gewichtskraft nach den Seiten „ableitet“, wirkt diese nicht nur senkrecht nach unten, sondern auch zur Seite. Durch die unelastische Wechselwirkung verschieben sich die bis dahin maximal dicht gepackten Sandkörner gegeneinander. Dadurch wächst das Volumen zwischen ihnen und füllt sich mit Wasser aus den benachbarten Bereichen, so dass der „Wasserspiegel“ im darüber lagernden Sand absinkt. Die oberste Sandschicht wird gewissermaßen trocken gelegt. Nur so kann verhindert werden, dass ein Vakuum entsteht. Letztlich wird die dazu erforderliche Energie vom einsinkenden Fuß aufgebracht, der den Widerstand als angenehm empfundene Härte des Bodens zu würdigen weiß.
Das Phänomen lässt sich leicht nachstellen. Dazu füllen wir ein verformbares Gefäß mit Sand und tränken diesen mit Wasser – so lange, bis er von einer hauchdünnen Wasserschicht bedeckt ist und gerade feucht glänzend erscheint. Drückt man die Dose etwas zusammen, wölbt sich der Sand etwas auf, wodurch auch hier die Zwischenräume zwischen den einzelnen Körnern vergrößert werden und durch das darüber befindliche Wasser aufgefüllt werden: der Sand läuft sofort trocken. Ebenso wie beim Hof um die Fußspur erkennt man dies daran, dass der trockene Sand heller erscheint als der nasse. Doch wie es zu diesem Helligkeitswechsel kommt, ist wieder eine andere Geschichte.
Viele Strandwanderer lieben es wie Thomas Mann, „so leicht und angenehm … auf dem glatten, festen, gespülten und federnden Sandboden am Saume des Meeres“ zu gehen. Was diesen im Innersten zusammenhält, wird allerdings den wenigsten bewusst sein.

PDF: http://www.spektrum.de/alias/schlichting/spaziergang-am-meer/1114586

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