Игры с песком: Попробуйте повторить это дома
Если б существовало нечто вроде Нобелевской премии за остроумные эксперименты, то — вот замечательный претендент. Возьмите две одинаковые консервные банки без крышек. В донышке одной проделайте побольше отверстий, вторую оставьте как есть. Теперь возьмите кювету с песком и открытыми сторонами поставьте банки на песок. Попробуйте вдавить их как можно глубже. Стоило бы ожидать, что — как это происходит в воде — закрытая банка будет входить в песок с большим трудом. На самом деле, вы убедитесь: все происходит ровно наоборот. Примерно так.
Этот забавный эффект обнаружил французский студент Рафаэль Клемен (Raphaël Clément) с коллегами. «То же можно проделать и с перевернутым стаканом, — говорит он, — Попробуйте сами». На самом деле, такая забава открывает некоторые важные и интересные свойства сыпучих тел. Сегодня, когда у нас имеются фундаментальные теории поведения твердого тела, жидкостей, газов и даже плазмы, аналогичных построений для сыпучей среды до сих пор не создано.
Что же в этом эксперименте забавного? Давайте представим для начала, как все происходит в воде. Банка с пробитым дном будет входить в нее совершенно легко, а та, дно которой остается запаянным, в определенный момент начнет ощутимо «сопротивляться» погружению. Причина этому проста: из банки с герметичным дном воздуху выходить некуда, под вашей рукой он все сильнее сжимается и погружать такую банку — это примерно то же, что топить воздушный шарик.
Теперь перейдем к песку. В опытах, поставленных Рафаэлем Клеменом и его командой, использовались цилиндрические алюминиевые банки 7 см диаметром и 12 см в высоту, с 2,1-мм стенками. Чтобы провести измерения, они погружали их в песок не под давлением руки, а помещая на них грузы разной тяжести, от 200 г до 4 кг. И каждый раз банка с целым донышком погружалась в песок сильнее той, дно которой было пробито.
В чем же причина? По мнению авторов, снова в воздухе, «запертом» в банке с герметичным дном. В его отсутствие песок ведет себя, во многом, подобно твердому телу. Но когда на банку оказывается давление, воздух из нее начинает просачиваться между песчинками. Песчинки начинают скользить друг относительно друга, почти как частицы жидкости. Чем сильнее давление — тем быстрее движется воздух, и тем легче и быстрее погружается банка. Действительно, эту гипотезу подтверждает такая версия опыта, проделанная Клеменом: давление на банку с запаянным дном повышалось очень медленно. Воздух выходил из нее понемногу, не вызывая изменения физических свойств песка, и банка погружалась не заметнее, чем ее соседка с дырявым дном.
Между прочим, живые организмы отлично приспособились ко всем нюансам поведения сыпучего песка, и отлично чувствуют себя в нем. Некоторые ящерицы даже умеют передвигаться в нем очень ловким и неожиданным способом. Читайте: «Как плавать в песке».
По публикации ScienceNOW