Fysikk i sandkassa

Naturen skaper sin egen kunst når man klemmer våt sand mellom to glassplater.

Luft som sprøytes inn i våt sand skaper bevegelse og får fram hittil usette mønstre. (Foto: Bjørnar Sandnes)
Luft som sprøytes inn i våt sand skaper bevegelse og får fram hittil usette mønstre. (Foto: Bjørnar Sandnes)

Fakta om forskningen

Eksperimentene er satt opp og utført ved University of Sydney hvor Bjørnar Sandnes har vært på et lengre forskningsopphold.

Prosjektet har blitt til i nært samarbeid med Eirik Grude Flekkøy, Knut Jørgen Måløy og Henning Knudsen fra AMKS- gruppen ved Fysisk institutt, UiO.

Artikkelen:

Les artikkelen  i Nature Communications: B. Sandnes, E.G. Flekkøy, H.A. Knudsen, K.J. Måløy, H. See: Patterns and flow in frictional fluid dynamics

Video:

Se video av eksperimentene på YouTube:

Frictional Fluid Dynamics 1

Frictional Fluid Dynamics 2

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.

For øvrig er det ikke er det sand og vann heller. Sanden er ørsmå glasskuler, vannet er blandet med glycerol - men for å gjøre det enkelt sier vi sand og vann.

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 overraskende 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.

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.

[gallery:1]

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:

Bjørnar Sandnes. (Foto: UiO)
Bjørnar Sandnes. (Foto: UiO)

– 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 undergrunnsreservoarer, 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.

Powered by Labrador CMS