Research press release


Scientific Reports

Materials: How to build the perfect sandcastle

完璧な砂の城の作り方を示した論文が、今週、Scientific Reportsに掲載される。この研究では、最も安定な砂の城は、含水率が約1%と非常に低いが、その最大可能高さが、底面の直径に依存することも示唆されている。今回の研究成果は、土木工学と土質力学への応用可能性がある。

湿った砂による砂の城の彫刻の剛性は、砂の粒子間に形成されるキャピラリーブリッジから生み出されている。これとは逆に、乾いた砂は、自重を支えることすらできない。見事な砂の城を作り出せるのは、わずかな水分を含む砂だけであり、水分が多すぎると、地滑りの場合のように構造体が不安定化する。今回、D Bonnたちは、円柱状の湿った砂の安定性を理論的、実験的に調べた。この砂の円柱は、自重による座屈転移が起こると不安定になった。Bonnたちは、砂柱の最大高さが、底面の半径の3分の2乗に比例して増加することを発見し、砂に加わる力とその結果生じる変形の比率(弾性率)を測ることで、湿った砂の最適強度が非常に低い含水率で達成されることを明らかにした。このモデルによって、砂の城の最大高さの計算が可能となった。


A recipe for the construction of the perfect sandcastle is revealed in a paper published in Scientific Reports this week. The study suggests that the most stable sandcastles have a very low water content of about 1%, but the maximum height a sandcastle can reach also depends on the diameter of its base. The work could have applications for civil engineering and soil mechanics.

The stiffness of sculptured wet sand in a sandcastle results from the formation of capillary bridges between the sand grains - dry sand, conversely, can hardly support its own weight. Sand that contains only a small amount of water can be sculpted into an impressive sandcastle, but too much water will destabilize the structure, as seen in landslides. Daniel Bonn and colleagues investigated the stability of cylindrical columns of wet sand, both theoretically and experimentally. The columns become unstable when they undergo a buckling transition under their own weight. The authors find that the maximum height of a sand column increases as a 2/3 power of the radius of its base. By measuring the ratio of the force exerted on the sand to the resultant deformation, or the elastic modulus, they also show that the optimum strength of wet sand is achieved with a very low liquid content. This model allows the authors to calculate a sandcastle’s maximum height.

One way to build a more stable and therefore a taller sandcastle is to decrease the effective density of the sand, which can be achieved by plunging the structure under water. This will destroy the liquid bridges between the grains of normal sand, but if hydrophobic sand is used instead one can have air bridges between the sand grains under water.

doi: 10.1038/srep00549


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