conglomeraat-UITSNEDE-bew-niv-versch-1500-x-220-titel.jpg

College van de maand: De storthoek.

Zoals atomen gestapeld worden om het kristalrooster van een mineraal te vormen waarbij kristalvlakken onder een bepaalde hoek van elkaar ontstaan, stapelen sedimentdeeltjes zich ook op een optimale manier op elkaar. De vlakken en hoeken die ze hierbij maken zijn dan misschien niet zo mooi als die van een kristal, maar is voor het stapelen van losse delen of deeltjes voor zowel natuurlijke- als door de mens uitgevoerde processen erg belangrijk. Vooral de stortingshoek, ofwel de hoek van inwendige wrijving, is hierbij een belangrijk begrip.

Afb. 1 De stortingshoek.

De storthoek is de hoek die een stapel deeltjes maakt ten opzichte van een horizontale ondergrond, waarop het materiaal stabiel blijft liggen (Afb. 1). Denk hierbij aan de hoek die een hoopje droog zand maakt op de bodem van een zandloper. Dit heeft alles te maken met de hoeveelheid wrijving tussen de deeltjes die ervoor zorgt dat materiaal ofwel blijft liggen of van een helling glijdt (Afb. 2). Als je materiaal onder een steilere hoek wilt opstapelen, kan dit tot gevaarlijke situaties lijden waarbij de stapel instort.

Afhankelijk van de korrelgrootte, sortering, en afronding van het materiaal verschilt de storthoek. Fijn zand heeft een relatief kleine storthoek, terwijl grof grind onder een veel grotere hoek gestapeld kan worden (Afb. 3). Daarnaast speelt vochtigheid ook een belangrijke rol (Afbg. 4). Denk bijvoorbeeld aan het maken van een mooie zandsculptuur op het strand. Dit gaat het makkelijkste met zand dat een beetje nat is; vanwege de capillaire werking van het water dat ervoor zorgt dat de korrels aan elkaar blijven plakken. Maar te nat verkleint de storthoek juist weer. Als zand volledig verzadigd is met water, heeft het een hele lage storthoek en druipt het bijna horizontaal op de ondergrond.

Afb. 2. Wrijving (f) zorgt ervoor dat een object op een helling kan blijven liggen of niet. De stabiliteit van het object hangt af van verschillende componenten. Het gewicht van een object bepaald hoe groot de zwaartekracht (W=mg) is. Zwaartekracht werkt loodrecht naar beneden. Tegengesteld hieraan werkt de normaalkracht (N). Dit is de kracht die door een oppervlak wordt uitgeoefend op het object, dit zorgt ervoor dat het object niet door het oppervlak kan gaan: een boek blijft op tafel liggen en zinkt er niet zomaar doorheen als je deze neerlegt. Als het oppervlak een helling is, werkt de normaalkracht loodrecht op de helling. Hierdoor ontstaat een hoek tussen de zwaartekracht en normaalkracht. De zwaartekracht kan dan ook wel in twee delen worden opgebroken: een loodrecht aan de helling (mg cos α) en een parallel aan de helling (mg sin α). Wanneer de parallelle component mg sin α even groot is als de wrijvingskracht f blijft een object stilliggen op de helling. Wanneer de hellingshoek wordt vergroot, omt er een moment waarop mg sin α groter wordt dan de wrijvingskracht f. Dit is het moment waarop een object van de helling glijdt.
Binnen de geologie valt de storthoek op veel plaatsen terug te vinden. Denk bijvoorbeeld aan de onbegroeide duinen op het strand, deze hebben altijd een steilere hoek aan de benedenwindse kant die wordt bepaald door de stortingshoek van het type zand waaruit ze bestaan (zie ook figuur 5 in het college van de maand over stranden). Puinwaaiers vormen door de grote, hoekige rotsblokken een behoorlijk steile storthoek (Afb. 3).
Afb. 3 Puinwaaiers in Isfjorden op Svalbard. Foto door: Mark A. Wilson (Department of Geology, The College of Wooster).
Daarnaast is de storthoek ook erg belangrijk in verschillende sectoren binnen de maatschappij. Denk aan de dijken die ons land beschermen, het bouwen van een fundering, of het opslaan van verschillende soorten materiaal. Niet alleen zand, grind, of houtsnippers maar bijvoorbeeld ook een stapel geoogste aardappels, bieten, of maiskolven heeft een kenmerkende storthoek.
Afb. 4 De storthoek is verschillend voor materiaal met variërende korrelgrootte, afronding, en vochtigheid

Hiermee moet vooral rekening worden gehouden bij het opslaan van materiaal in silo’s of het ruim van een transportschip om te voorkomen dat een lading instabiel wordt kan gaan verschuiven. Bijvoorbeeld bij het schommelen van een schip, wat er in feite voor zorgt dat de horizontale bodem van het schip een helling wordt, kan de lading gaan verschuiven. Daarom is het belangrijk om een meetmethode te hebben om de storthoek voor verschillende materialen te berekenen. In de praktijk wordt dit op een aantal manieren gedaan (fig. 5). Als de storthoek eenmaal bekend is, kan ervoor gezorgd worden dan er geen ongelukken zullen gebeuren.

Afb. 5 Verschillende methodes om de storthoek van een granulair materiaal te bepalen.

Alle illustraties zijn door de auteur gemaakt.

Verder lezen (in het Engels):

  • Van Burkalow, A. (1945). Angle of repose and angle of sliding friction: an experimental study. Geological Society of America Bulletin, 56(6), 669-707.
  • Al-Hashemi, H. M. B., & Al-Amoudi, O. S. B. (2018). A review on the angle of repose of granular materials. Powder technology, 330, 397-417.
  • Cheng, NS. (2018). Angle of Repose. In: Bobrowsky, P., Marker, B. (eds) Encyclopedia of Engineering Geology. Encyclopedia of Earth Sciences Series. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-12127-7_15-1.