Замок з піску: інженер-геотехнік пояснює, як вода, повітря і пісок забезпечують міцність конструкції

Автор: Джозеф Скалія, професор цивільної та екологічної інженерії, Університет штату Колорадо (США)

Зрозуміти, чому одні замки з піску високі і мають хитромудру структуру, а інші – це лише безформні грудки піску, нам допоможуть знання в галузі геотехнічної інженерії.

Як викладач геотехнічної інженерії, я використовую замки з піску на своїх лекціях, аби продемонструвати, як взаємодія між ґрунтом, водою та повітрям дає змогу відновити рельєф місцевости після видобутку металів, які є критично важливими для процесу переходу до використання відновлюваних джерел енергії.

Будівництво замків з піску зводиться до правильного поєднання цих трьох інґредієнтів. Пісок формує структуру, але саме вода між піщинками забезпечує силу – в даному випадку, всмоктування – яка утримує пісок разом. І без потрібної кількости повітря вода просто розштовхавала б піщинки.

Не всякий пісок підійде

Піщинки, відповідно до Єдиної системи класифікації ґрунтів ASTM International, є частинками ґрунту діяметром від 0,075 мм до 4,75 мм. За визначенням, у піску принаймні половина усіх піщинок мають бути такого розміру. Мул або глина – це ґрунт з домішками, меншими за піщинки, тоді як ґрунт з частинками більшими за діяметр піщинок називається гравієм.

Розмір піщинок, або зерен, також визначає його зовнішній вигляд і текстуру піску. Найдрібніші зерна піску за текстурою схожі на цукрову пудру. Найбільші ж зерна більше нагадують за розміром маленьку суху сочевицю.

Для будівництва замків з піску підійде будь-який тип цього матеріялу, але оптимальний варіянт має дві характерні властивості: піщинки повинні бути різного розміру та з кутастими або шорсткими краями. Різниця в розмірах дозволяє меншим піщинкам заповнювати кишені (пори) між більшими піщинками. Результатом є підвищена міцність конструкції.

Зерна піску нерівної форми, що мають гострі кути, краще скріплюються між собою, забезпечуючи стійкість замку. З тієї ж причини купа кутастих дерев'яних брусків залишиться в стосі, а от купка марблів (різнокольорових кульок зі скла, глини, сталі або аґату) розлетиться в різні боки.

Саме тому, як не дивно, найкращий пісок для замків зазвичай не знайдеш на острові чи на прибережному пляжі. Кутасті зерна піску переважно зустрічаються поблизу гір, які є їх геологічним джерелом. Такі піщинки ще не встигли округлитися під дією вітру та води. Професійні будівельники піщаних замків навіть готові закуповувати річковий пісок з інших країн для своїх споруд.

Зрештою, чим ближче одне до одного знаходяться зерна піску, тим більшу міцність матиме матеріял. При ущільненні або трамбуванні мокрого матеріялу зерна піску спресовуються, зменшуючи розмір пор і збільшуючи ефективність стягування. Ущільнення також збільшує міжзернове скріплення а отже, і міцність матеріялу.

Вода – це основа

Без води пісок буде просто лежати насипом. Якщо води забагато, пісок розтікається, як рідина. Але між сухим піском і насиченим рідиною є широкий діяпазон рівнів вологости, завдяки яким вдається зводити замки.

Вода має когезійні властивості – це означає, що вона прагне триматися разом. Але вода також може прилипати до певних поверхонь або підійматися ними. Подивіться на напівповну склянку води, і ви побачите, як вода злегка піднімається вгору по внутрішній поверхні склянки. Сила тяжіння все ще утримує воду в склянці, але вода намагається піднятися вгору і змочити поверхню. Ця ледь помітна боротьба сил і є тим, що робить піщані замки реальністю.

Там, де зустрічаються повітря і вода, виникає поверхневий натяг. Його сила тяжіє донизу, утримючи рідину всупереч конкуруючим силам поверхневого зволоження, когезії та сили тяжіння. Поверхневий натяг стягує воду докупи, як натягнуті стінки повітряної кулі. Те саме відбувається з піщинками. 

Якби склянка було набагато вужчою, наприклад, такою, як соломинка, вода піднімалася б вище і мала би більший поверхневий натяг. Чим вужчою є соломинка, тим вище здатна піднятися вода. Це явище називається капілярністю.

Так само вода поводиться у вологому піску. Пори, або пустоти, між піщинками схожі на пучок тонесеньких соломинок. Вода утворює крихітні містки між піщинками. Вода в цих містках знаходиться в постійному напруженні, стягуючи піщинки разом під дією сили, яку ми, інженери-геотехніки, називаємо силою всмоктування.

Стільки води, скільки треба

Від кількости води у піску залежить розмір та міцність водних містків. Якщо води замало, то містків між піщинками буде недостатньо. Зі збільшенням кількости води, розмір та кількість містків також зростають, збільшуючи силу всмоктування, що тримає піщинки разом. Результатом є ідеальний пісок для побудови піщаних замків.

Але якщо води буде занадто багато, то всмоктування буде занадто слабким, щоб утримати пісок.

Загальне практичне правило для успішної побудови чудових піщаних замків таке: одна частка води на вісім часток сухого піску. Однак за ідеальних умов у лабораторії, за наявности щільного піску та при нульовому випаровуванні, додавання однієї частки води на кожні сто часток сухого піску може творити чудеса. На пляжі пісок з необхідним рівнем вологости знаходиться біля лінії припливу, коли вода відступає від берега.

До речі, морська сіль також може додати стабільности піщаному замку. Спочатку капілярні сили утримують піщинки разом, але згодом капілярна вода випаровується, особливо у вітряний день. Коли морська вода висихає, сіль залишається. Оскільки морська вода утворювала містки між піщинками, сіль кристалізується в цих точках дотику. Таким чином, сіль може забезпечити стійкість піщаного замку ще тривалий час після того, як пісок висохне. Але будьте обережні, щоб не порушити зв’язаний сіллю пісок; він крихкий і конструкції з нього легко зруйнувати.

Щоб побудувати міцний піщаний замок, утрамбуйте пісок з невеликою кількістю води якомога щільніше. Я віддаю перевагу створенню щільного насипу, щоб потім відкинути зайвий пісок і звільнити мистецький витвір, що був захований всередині. Також можна утрамбувати пісок у відра, чашки чи інші форми та будувати з нуля. Обов’язково переконайтеся, що пісок щільний, а потім притисніть формою утрамбовану основу. Руки є чудовим інструментом як для ущільнення, так і для відсікання, але лопатка чи мушля зроблять це точніше. Отримуйте задоволення і не бійтеся піску у плавках!

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під назвою «Sandcastle engineering – a geotechnical engineer explains how water, air and sand create solid structures» в журналі The Conversation 14 липня 2022 року.

Переклали Каріна Булацел і Володимир Клапа