Sand in Ruhe verhält sich wirklich nicht wie eine Flüssigkeit, sondern eher wie ein Feststoff. Wenn Sie die Oberfläche eines abgeflachten Sandhaufen mit einem flachen großen Objekt treffen, wird es nur eine vernachlässigbare Welle in der Korndichte innerhalb der Masse des Stapels sein. In der Tat wird die dominierende Welle eine komplizierte Schallwelle innerhalb der Körner sein, die von Grenzflächen zwischen ihnen passiert wird, und diese wird aufgrund der Unvollkommenheiten sehr schnell zerstreut.
Aber Sand beginnt sich ein wenig wie eine ganz besondere Flüssigkeit zu verhalten, wenn er sich in einem speziellen dynamischen und dichten Regime befindet, das als körniger Fluss bezeichnet wird (hier haben Sie Recht, dass die Schwerkraft typischerweise dazu beiträgt, die höhere Dichte aufrechtzuerhalten). Das formale Kriterium ist, dass es eine ausreichend große Scherrate oder einen Gradienten mittlerer Geschwindigkeiten aufweisen muss. Ein Beispiel hierfür wären die beweglichen Teile eines Sandhaufens, wenn er aus einem Silo gegossen wird. Dann ist es möglich, einen effektiven Satz von Navier-Stokes-Gleichungen für sein Verhalten in Bezug auf Dichten, Druck und Massengeschwindigkeiten aufzuschreiben, die die gleiche Art von Gleichungen sind, die die Dynamik von Wasser regeln.
Beachten Sie jedoch, dass selbst in diesem Modus das Verhalten der „Sandflüssigkeiten“ das einer stark nicht-newtonschen Flüssigkeit ist und mit dem Verhalten von Flüssigkeiten wie dickem Schleim, Harz oder Ketchup vergleichbar ist. Ein besonderes Merkmal ist die Tatsache, dass die Wechselwirkung zwischen den Schichten des Sandes mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in eher nicht intuitiver Weise von der Relativgeschwindigkeit der Schichten abhängt. Die Dissipation im Kornfluss ist ebenfalls sehr hoch und ohne externen Antrieb wird jede Scherung schnell getötet. Und wenn die Scherrate unter das kritische Niveau fällt, „gefriert“ der Kornfluss aus und verhält sich plötzlich wieder mehr wie ein Feststoff.
Wenn der Sand schließlich sehr dünn und stark bewegt wird (einzelne Körner erhalten viel zufällige kinetische Energie), kann er sich für kurze Zeit wie ein Gas verhalten. Das Schlüsselkriterium für diesen Modus ist, dass die Körner nicht zu stark zwischen sich und den Wänden kollidieren (was einen Großteil der kinetischen Energie zerstreut). Dies kann schwer zu ertragen sein, wenn die Körner schwer sind und wenn die Schwerkraft vorhanden ist. Auf der anderen Seite können sehr leichte Körner für längere Zeit zu einer „kleinen gasähnlichen Komponente“ der Luft werden, da der Luftwiderstand (Kollisionen mit Luftmolekülen) dazu neigt, die Korngeschwindigkeit mit dem Großteil der Luft zu synchronisieren.
Wie für Ihre Frage mit der „Oberflächenwelle“ auf einem Sandhaufen. Das ist wirklich ziemlich amüsant, weil ich glaube, dass alle drei Modi normalerweise vorhanden sein werden. Wenn Sie mit einem kleinen Gegenstand auf die Oberfläche des Sandes treffen, bewegt sich der Sand an dieser Stelle und erzeugt eine lokale Scherung. Möglicherweise wird ein Teil des Sandes in der Luft ausgestoßen, um für einen Moment „gasartig“ zu sein. Das Scheren im Sand, das tatsächlich im Haufen bleibt, ermöglicht jedoch für einen kurzen Moment ein flüssiges Verhalten, das eine wellenartige Welligkeit erzeugt. Trotzdem werden die Relativgeschwindigkeiten schnell abgebaut und die Welligkeit gefriert aus.
Abschließend ein Tipp zum Erzeugen von Sand-Flüssigkeits-Wellen: Versuchen Sie, eine in einem Sandhaufen herzustellen, der zwischen zwei Zylindern gedrückt wird, die sich mit unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten drehen, so dass die Scherrate im Sand höher ist als die kritische. Es könnte dann möglich sein, wellenartige Phänomene zu erhalten!
(Eine wissenschaftliche Arbeit zum Thema granulare Strömungen, die ich besonders klar fand, ist Ein neues konstitutives Gesetz für dichte granulare Strömungen von Pierre Jop, Yoël Forterre & Olivier Pouliquen)
EDIT: Mir ist gerade aufgefallen, dass Cort Ammon einen Link zu diesem YouTube-Video für flüssigen Sand von Mark Robber gepostet hat, in dem ein „Wirbelbett“ erzeugt wird, indem Luft von unten durch den Sand sprudelt. Ein Wirbelbett entsteht, wenn der Luftwiderstand von unten den Gravitationskräften auf die einzelnen Körner nahezu genau entgegenwirkt. Es geht nur indirekt darum, der Schwerkraft entgegenzuwirken. Der Hauptpunkt besteht darin, die Körner aus dem Kontakt zu bringen, damit sie die Energie nicht so schnell abführen. Infolgedessen ist weniger Scherung erforderlich, um ein fluidartiges Verhalten aufrechtzuerhalten, und dies wird auch durch den ungleichmäßigen Luftstrom bereitgestellt. Ganz genial!
