Om du vill förstå varför vissa sandslott är höga och har invecklade strukturer medan andra är nästan oformliga sandklumpar, hjälper det att ha en bakgrund inom geoteknik.

Som utbildare i geoteknik använder jag sandslott i klassrummet för att förklara hur samverkan mellan jord, vatten och luft gör det möjligt att återuppbygga landskap efter att ha brutit metaller som är avgörande för energiomställningen.

Att bygga ett sandslott handlar om rätt blandning av dessa tre ingredienser. Sand ger strukturen, men det är vatten mellan sandkornen som ger kraften - i det här fallet sug - som håller ihop sanden. Och utan rätt mängd luft skulle vattnet bara pressa isär sandkornen.

Inte vilken sand som helst

Sandkorn, enligt standardorganet ASTM Internationals Unified Soil Classification System, är jordpartiklar med en diameter på 0,003 tum (0,075 mm) till 0,187 tum (4,75 mm). Sand, per definition, har minst hälften av sina partiklar i det intervallet. Silt eller lera är jord med partiklar mindre än sandstorlek. Och jord med partiklar större än sandstorleken är grus.

Storleken på partiklar, eller korn, avgör också hur sand ser ut och känns. De minsta sandkornen har en konsistens nästan som strösocker. De största kornen är mer lika stora som små torra linser.

Mest sand kommer att fungera för att bygga ett sandslott, men den bästa sanden har två egenskaper:sandkorn i flera olika storlekar och korn med kantiga eller grova kanter. Variation i kornstorlek tillåter mindre sandkorn att fylla fickorna, eller porerna, mellan de större sandkornen. Resultatet är ökad sandstyrka.

Sandkorn som är mer kantiga, med vassa hörn på sig, låser ihop bättre, vilket gör sandslottet starkare. Det är samma anledning till att en hög med kantiga träblock stannar i en hög, men en hög med kulor kommer att gå överallt.

Det är också därför, överraskande nog, den bästa sanden för sandslott vanligtvis inte finns på en ö eller en kuststrand. Mer kantiga sandkorn finns vanligtvis närmare bergen, deras geologiska källa. Dessa sandkorn har ännu inte fått sina kanter rundade av vind och vatten. Professionella sandslotsbyggare kommer att gå så långt att de importerar flodsand till sina skapelser.

Slutligen, ju närmare varandra sandkornen är, desto starkare blir sanden. Genom att pressa samman våt sand hårt, genom komprimering eller stampning, klämmer sandkorn ihop, vilket minskar storleken på porerna och ökar effekten vatten kan ha. Komprimering ökar också kornens sammanlåsning och därmed sandstyrkan.

Vatten är nyckeln

Utan vatten bildar sand bara en hög. För mycket vatten och sand rinner som vätska. Men mellan torr sand och mättad sand finns ett brett spektrum av fuktnivåer som möjliggör sandslottskonstruktion.

Vatten är sammanhängande, vilket betyder att vatten gillar att fastna på vatten. Men vatten fastnar också på eller klättrar upp på vissa ytor. Titta på ett halvfullt glas vatten och du kommer att se vattnet gå upp på insidan av glaset lite. Tyngdkraften håller fortfarande vattnet i glaset, men vattnet försöker klättra upp och blöta ytan. Denna lilla maktkamp är det som gör sandslott möjliga.

Precis där luft och vatten möts finns ytspänning. Luft-vatten-gränssnittet drar nedåt och försöker hålla ihop vattnet mot de konkurrerande krafterna av ytvätning, sammanhållning och gravitation. Ytspänningen drar ihop vattnet som den spända huden på en ballong. Och ytspänning drar också ihop sandkorn.

Om glaset var mycket smalare, som ett sugrör, skulle vattnet stiga högre och ha mer ytspänning. Ju smalare halmstrå desto högre skulle vattnet stiga. Detta fenomen kallas kapilläritet.

Vatten beter sig på samma sätt i våt sand. Porerna, eller mellanrummen, mellan sandkornen är som ett gäng mycket små strån. Vatten bildar små broar mellan kornen. Vattnet i dessa broar är under spänning och drar samman kornen av en kraft som vi geotekniska ingenjörer kallar sugspänning.

Bara tillräckligt med vatten

Mängden vatten i sanden styr storleken och styrkan på vattenbryggorna. För lite vatten är lika med små broar mellan sandkornen. Mer vatten, och storleken och antalet broar växer, vilket ökar suget som håller ihop sandkornen. Resultatet är perfekt sandslottssand.

Men för mycket vatten och suget är för svagt för att hålla ihop sanden.

En allmän tumregel för att bygga stora sandslott är en del vatten för varje åtta delar torr sand. Under idealiska förhållanden i ett laboratorium, men med tät sand och noll avdunstning, kan en del vatten för varje hundra delar torr sand skapa underverk. På en strand ligger sand med rätt fuktnivå nära högvattenlinjen när tidvattnet är lågt.

För övrigt kan salt från havsvatten också vara en välsignelse för sandslottsstabiliteten. Kapillärkrafter håller ihop sandkorn till en början, men kapillärvatten kommer så småningom att avdunsta, särskilt på en blåsig dag. När havsvatten torkar blir salt kvar. Eftersom havsvattnet höll på att bilda broar mellan kornen, kristalliseras saltet vid dessa kontaktpunkter. På så sätt kan salt hålla ett sandslott stående långt efter att sanden har torkat. Men var försiktig så att du inte stör den saltbundna sanden; den är skör och hopfällbar.

För att bygga ett starkt sandslott, kompakt sand och lite vatten så tätt du kan. Jag föredrar att skapa en tät kulle och sedan ösa och karva bort för att avslöja konsten inom. Du kan också komprimera sanden i hinkar, koppar eller andra formar och bygga från grunden. Se bara till att få sanden tät och placera formen på en komprimerad grund. Händer är både ett utmärkt komprimerings- och skärverktyg, men en spade eller ett snäckskal ger mer precision. Ha kul och var inte rädd för att bli sandig! + Utforska vidare

Var kommer sanden på Mars ifrån?

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.