ФИЗИКА НА ПЛЯЖЕ
В. КОТОВ (г. Нижний Новгород)
Пройдите по полосе сырого песка у воды. Обратите внимание на возникающие вокруг ступней валики светлого, не содержащего воды песка, которые вскоре темнеют, пропитываясь водой (см. "Наука и жизнь" № 9, 1978 г.).
Посветление песка объясняется просто: в выдавленном вверх песке расстояния между соседними песчинками увеличиваются и содержавшаяся в нем вода уже не может заполнить пустоты, особенно снаружи. Происходит разрушение прежних капилляров, а на подъем новой порции воды и восстановление капилляров нужно время. Сам же механизм выдавливания песка довольно любопытен. Наряду с простым перемещением песчинок имеет место следующее: в насыщенном водой песке песчинки расположены с максимально возможной плотностью (что мы уже наблюдали), а внешнее воздействие, вызывающее деформацию сдвига, приводит к увеличению занимаемого песком объема. Это явление впервые объяснил английский физик О. Рейнольдс в 1885 году.
Покрывающий пляж песок, подобно другим сыпучим веществам, может проявлять себя как жидкость или как твердое тело, в зависимости от внешних условий. Все слышали о зыбучих песках и знают, как песок течет сквозь пальцы. И в то же время, согласно мнению строителей и вопреки известной поговорке, нет лучшего фундамента, чем слежавшийся песок.
Вот вы ступили на песок пляжа. Идти по сухому песку не так-то просто - ноги в нем вязнут. Если песок столь легко уступает действию ног, то как же удобно будет лежать на нем!
Вы с размаху бросаетесь на песок и ощущаете, что ваши надежды не оправдались: лежать на песке не очень-то мягко. Все его неровности не спешат разгладиться под весом тела.
Что же получается? Песок слишком мягок, чтобы по нему ходить, и недостаточно податлив, чтобы было удобно лежать на нем. Чем объясняется данное различие?
Ну, конечно, разной величиной силы, действующей на единицу площади поверхности, - разным давлением веса человека. Устройте в песке ложе, повторяющее все изгибы тела, - вес распределится на большую площадь, давление станет малым и лежать будет очень комфортно.
Наберите теперь две пригоршни сухого песка и медленно высыпайте его через щель между ладонями. Обратите внимание на то, что вначале высыпаются песчинки, лежащие непосредственно над отверстием. А затем - песчинки из верхнего слоя песка, в котором образуется воронка. Наклоните ладони. Воронка все равно образуется точно по вертикали над отверстием. Что мешает раньше высыпаться другим песчинкам, расположенным вокруг отверстия в нижних слоях, то есть ближе к нему?
Продолжим эксперимент. Возьмем лист бумаги, свернем его в трубку, положим горизонтально и засыпем снаружи сухим песком. Конструкция из бумаги будет выдерживать довольно большие нагрузки. Прочность ей придает не только трубчатая форма; нужно, чтобы вокруг трубки и сверху толстым слоем лежал сухой песок. Почему песок не расплющивает трубку, даже если надавить сверху на песок ладонью? Дело в том, что под давлением песчинки перестраиваются так, что заклинивают друг друга, мешая взаимному перемещению. В науке это явление носит название "появление арочных структур". В арке каждый отдельный элемент не может переместиться в направлении действия внешней силы - он зажат враспор соседними элементами, которым и передает действующую нагрузку. В результате под давлением (внешним и внутренним) песок утрачивает подвижность и приобретает свойства твердого тела.
По этой причине в песочных часах песок пересыпается равномерно, независимо от высоты его столба (в отличие от воды!). И первыми высыпаются песчинки именно верхнего слоя, потому что не связаны арочными структурами.
После захода солнца воздух и песок, обладающие малой теплоемкостью, быстро теряют накопленное тепло. Они неприятно холодят тело. А вода с ее большой теплоемкостью дольше сохраняет дневное тепло и манит напоследок искупаться.
На этом прогулку по пляжу с привлечением физических знаний закончим. Ее можно продолжить самостоятельно, было бы желание и знание курса физики. О том, что у вас получилось, напишите в редакцию. Желаем успехов!
Читайте в любое время
