วิศวกรรมปราสาททราย วิศวกรธรณีเทคนิคอธิบายว่าน้ำ อากาศ และทรายสร้างโครงสร้างที่แข็งแรงได้อย่างไร

หากคุณต้องการที่จะเข้าใจว่าทำไมปราสาททรายบางแห่งจึงสูงและมีโครงสร้างที่ซับซ้อน ในขณะที่บางปราสาทมีลักษณะเป็นก้อนทรายที่เกือบจะไม่มีรูปร่าง การมีพื้นฐานด้านวิศวกรรมธรณีเทคนิคจะช่วยให้มีพื้นฐานที่ดี

ในฐานะครูสอนวิศวกรรมธรณีเทคนิค ฉันใช้ปราสาททรายในห้องเรียนเพื่ออธิบายว่าปฏิกิริยาของดิน น้ำ และอากาศช่วยให้ภูมิทัศน์สามารถสร้างใหม่ได้หลังการขุดหาโลหะที่สำคัญต่อการเปลี่ยนแปลงพลังงานได้อย่างไร

การสร้างปราสาททรายขึ้นอยู่กับส่วนผสมทั้งสามอย่างที่เหมาะสม ทรายสร้างโครงสร้าง แต่น้ำระหว่างเม็ดทรายที่ให้แรงดูด ในกรณีนี้ คือที่ยึดทรายไว้ด้วยกัน และหากไม่มีปริมาณอากาศที่เหมาะสม น้ำก็จะดันเม็ดทรายออกจากกัน

ไม่ใช่แค่ทราย any

เม็ดทรายตามมาตรฐานของ ASTM International’s Uniform Soil Classification System คืออนุภาคดินที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.003 นิ้ว (0.075 มม.) ถึง 0.187 นิ้ว (4.75 มม.) ตามคำจำกัดความของทรายมีอนุภาคอย่างน้อยครึ่งหนึ่งในช่วงนั้น ดินตะกอนหรือดินเหนียวคือดินที่มีอนุภาคเล็กกว่าทราย และดินที่มีอนุภาคใหญ่กว่าทรายเป็นกรวด

ขนาดอนุภาคหรือเกรนยังกำหนดรูปลักษณ์และความรู้สึกของทรายด้วย เม็ดทรายที่เล็กที่สุดมีเนื้อสัมผัสเกือบเป็นผงน้ำตาล เมล็ดที่ใหญ่ที่สุดจะเหมือนกับขนาดของถั่วเลนทิลแห้งขนาดเล็ก

ทรายส่วนใหญ่จะใช้สร้างปราสาททรายได้ แต่ทรายที่ดีที่สุดมีลักษณะสองประการคือ เม็ดทรายที่มีขนาดแตกต่างกันหลายขนาดและเม็ดที่มีขอบเป็นมุมหรือหยาบ การเปลี่ยนแปลงขนาดของเม็ดทรายทำให้เม็ดทรายที่มีขนาดเล็กลงสามารถเติมช่องหรือรูพรุนระหว่างเม็ดทรายขนาดใหญ่ได้ ผลที่ได้คือการเพิ่มความแข็งแรงของทราย

เม็ดทรายที่มีมุมแหลมกว่า มีมุมแหลม ล็อคกันได้ดีขึ้น ทำให้ปราสาททรายแข็งแรงขึ้น เป็นเหตุผลเดียวกันที่กองบล็อกไม้เข้ามุมจะอยู่ในกอง แต่กองหินอ่อนจะเกลื่อนไปทั่ว

นี่เป็นเหตุผลที่น่าแปลกใจที่ทรายที่ดีที่สุดสำหรับปราสาททรายมักไม่พบบนเกาะหรือบนชายหาดชายฝั่ง เม็ดทรายเชิงมุมมักจะพบได้ใกล้กับภูเขามากกว่า ซึ่งเป็นแหล่งทางธรณีวิทยา เม็ดทรายเหล่านี้ยังไม่มีขอบมนด้วยลมและน้ำ ผู้สร้างปราสาททรายมืออาชีพจะนำเข้าทรายแม่น้ำเพื่อการสร้างสรรค์ของพวกเขา

ท้ายที่สุดยิ่งเม็ดทรายอยู่ใกล้มากเท่าไหร่ทรายก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น การอัดทรายเปียกให้แน่นโดยการกดหรือบดอัดเม็ดทรายให้แน่น ลดขนาดรูพรุนและเพิ่มการสัมผัสน้ำ การบดอัดยังช่วยเพิ่มการประสานกันของเกรนและทำให้ทรายมีความแข็งแรง

บนหาดทรายที่มีถังพลาสติกสีเขียวและไม้พายสีเหลืองอยู่เบื้องหน้า ท้องฟ้าสีครามและน้ำทะเลสีฟ้า หญิงสาวในชุดว่ายน้ำสีสันสดใสยืนด้วยมือข้างหนึ่งบนสะโพกของเธอ และอีกมือหนึ่งอยู่บนปราสาททรายที่สูงเท่ากับเธอ  .
การสร้างปราสาททรายจำเป็นต้องหาส่วนผสมที่เหมาะสมของอากาศ น้ำ และทราย
Tony Garcia / Stone ผ่าน Getty Images

น้ำคือสิ่งสำคัญ

ถ้าไม่มีน้ำ ทรายก็กลายเป็นกอง น้ำและทรายจำนวนมากไหลเหมือนของเหลว แต่ระหว่างทรายแห้งและทรายอิ่มตัวนั้น มีระดับความชื้นที่หลากหลาย ซึ่งช่วยให้สามารถสร้างปราสาททรายได้

น้ำมีความเหนียว หมายถึง น้ำชอบเกาะติดกับน้ำ แต่น้ำยังเกาะติดกับพื้นผิวบางส่วนหรือลอยขึ้นสู่ด้านบน ดูแก้วน้ำที่เต็มครึ่งแล้วจะเห็นว่าน้ำขึ้นเล็กน้อยจากด้านในของแก้ว แรงโน้มถ่วงยังคงกักน้ำไว้ในถ้วย แต่น้ำพยายามทำให้พื้นผิวเปียก การต่อสู้แย่งชิงอำนาจเล็กๆ น้อยๆ นี้เป็นสิ่งที่ทำให้ปราสาททรายเป็นไปได้

บริเวณที่อากาศและน้ำมาบรรจบกัน ย่อมมีแรงตึงผิว ส่วนต่อประสานระหว่างอากาศกับน้ำดึงลงเพื่อพยายามยึดน้ำไว้ด้วยกันกับแรงที่แข่งขันกันของการทำให้เปียกที่พื้นผิว การรวมตัวกัน และแรงโน้มถ่วง แรงตึงผิวดึงน้ำเข้าด้วยกัน เหมือนกับผิวที่ยืดออกของบอลลูน และแรงตึงผิวยังดึงเม็ดทรายเข้าด้วยกัน

ถ้าถ้วยบางกว่ามาก เช่นฟาง น้ำก็จะสูงขึ้นและมีแรงตึงผิวมากขึ้น ฟางยิ่งแคบ น้ำก็จะยิ่งสูงขึ้น ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าเส้นเลือดฝอย

น้ำมีพฤติกรรมเช่นเดียวกันในทรายเปียก รูพรุนหรือช่องว่างระหว่างเม็ดทรายเป็นเหมือนฟางเส้นเล็กๆ น้ำก่อตัวเป็นสะพานเล็กๆ ระหว่างเมล็ดพืช ในสะพานเหล่านี้ น้ำอยู่ภายใต้ความตึงเครียด ดึงเมล็ดพืชเข้าด้วยกันด้วยแรงที่เราวิศวกรธรณีเทคนิคเรียกว่าแรงดูด

ประติมากรรมทรายกรีก-โรมันชายมีเคราสามคน
คุณรู้หรือไม่ว่าการดูดเป็นหนึ่งในแรงที่ยึดประติมากรรมทรายนี้ไว้ด้วยกัน?
การถ่ายภาพและวิดีโอของนักสะสมทันที / Flickr, CC BY-SA

แค่น้ำเปล่าก็พอ

ปริมาณน้ำในทรายควบคุมขนาดและความแข็งแรงของสะพานน้ำ น้ำน้อยเกินไปเท่ากับสะพานเล็กๆ ระหว่างเม็ดทราย น้ำที่มากขึ้น ขนาดและจำนวนสะพานเพิ่มขึ้น การเพิ่มการดูดที่ยึดเม็ดทรายไว้ด้วยกัน ผลที่ได้คือทรายปราสาททรายที่สมบูรณ์แบบ

อย่างไรก็ตาม น้ำมากเกินไปและการดูดก็อ่อนเกินไปที่จะยึดทรายไว้ด้วยกัน

กฎทั่วไปในการสร้างปราสาททรายขนาดใหญ่คือน้ำหนึ่งส่วนสำหรับทรายแห้งทุกแปดส่วน อย่างไรก็ตาม ภายใต้สภาวะที่เหมาะสมในห้องปฏิบัติการ ด้วยทรายหนาแน่นและการระเหยเป็นศูนย์ น้ำหนึ่งส่วนต่อทรายแห้งทุกๆ ร้อยส่วนสามารถทำงานได้อย่างมหัศจรรย์ ที่ระดับความชื้นบนชายหาดที่ถูกต้อง ทรายอยู่ใกล้แนวน้ำขึ้นสูงเมื่อน้ำลง

อย่างไรก็ตาม เกลือจากน้ำทะเลยังเป็นประโยชน์ต่อความมั่นคงของปราสาททรายอีกด้วย แรงของเส้นเลือดฝอยในขั้นต้นจะยึดเม็ดทรายไว้ด้วยกัน แต่ในที่สุดน้ำของเส้นเลือดฝอยก็จะระเหยไป โดยเฉพาะอย่างยิ่งในวันที่มีลมแรง เมื่อน้ำทะเลแห้ง เกลือก็ถูกทิ้งไว้เบื้องหลัง เมื่อน้ำทะเลก่อตัวเป็นสะพานเชื่อมระหว่างเมล็ดพืช เกลือก็ตกผลึกที่จุดสัมผัสเหล่านี้ ด้วยวิธีนี้ เกลือจะทำให้ปราสาททรายคงอยู่ได้นานหลังจากที่ทรายแห้ง แต่ระวังอย่าไปรบกวนทรายที่เกาะกับเกลือ มันเปราะบางและพับได้

ในการสร้างปราสาททรายแข็ง ให้กดทรายและน้ำบางส่วนให้แน่นที่สุด ฉันชอบที่จะสร้างเนินดินหนาทึบ จากนั้นจึงขุดและแกะสลักเพื่อแสดงงานศิลปะภายใน คุณยังสามารถกดทรายลงในถัง ถ้วย หรือแม่พิมพ์อื่นๆ และสร้างจากพื้นดินขึ้น เพียงตรวจสอบให้แน่ใจว่าทรายมีความหนาแน่นและวางแม่พิมพ์บนฐานที่อัดแน่น มือเป็นเครื่องมือที่ยอดเยี่ยมสำหรับทั้งการบดอัดและการแกะสลัก แต่จอบหรือปูจะช่วยให้มีความแม่นยำมากขึ้น สนุกและไม่ต้องกลัวทราย

ทรายสีน้ำตาลอ่อนที่มีคลื่นลมพัดในทิวทัศน์แบบพาโนรามาของทะเลทราย Great Sand Dunes National Park รัฐโคโลราโด สหรัฐอเมริกา
ทรายที่ดีที่สุดสำหรับปราสาททรายอยู่ใกล้กับพื้นที่ภูเขาเช่นโคโลราโดมากกว่าชายหาด ลมและน้ำยังไม่ได้ปัดเศษปลายและขอบเม็ดทราย
Patrick Lienin / Moment ผ่าน Getty Images