Планета школ

Из нашего первого выпуска про песок вы узнали занимательные факты о мокром песке, увидели песчаные скульптуры. А сегодня Евгений Скляревский рассказывает об интересных особенностях сухого песка:

Попробуйте набрать в ладони сухой песок и высыпать его в дырочку между ладонями. Вскоре над этим отверстием появится воронка. В отличие от воды, которая выливается равномерно, у песка высыпается лишь та часть, которая расположена над отверстием.

Разница между песком и водой не только в этом. У воды скорость вытекания пропорциональна давлению, или высоте водного столба над отверстием. У песка же скорость высыпания не зависит от высоты кучи над отверстием. Она зависит только от величины песчинок (и, естественно, от силы тяжести), поэтому для песочных часов применяют специальный мелкий просеянный песок. Вообще говоря, песочные часы — отличный объект для разных экспериментов. Попробуйте представить их умозрительно и ответить на несколько вопросов.

1. Первый, самый известный: отличается ли вес «идущих» песочных часов от «стоящих»? Если да, то в какую сторону? Не торопитесь, вопрос не такой простой, как кажется на первый взгляд.

2. В центре горстки песка, находящегося в верхней колбе часов, всегда есть маленькая воронка над отверстием, в которое песок сыплется. Что будет, если наклонить часы, — сместится воронка или нет? Если да, то в каком направлении? И еще — наклонные песочные часы медленнее стоящих прямо или нет? Наверное, да, медленнее. А с какого примерно угла наклона часы «остановятся»?

3. Вода, выливаясь из ванны, закручивается в воронку. Кстати, вопрос для отличников — почему? И в какую сторону преимущественно? А песчаная воронка — закручивается? В чем разница?

4. А если песочные часы заполнить вместо воздуха водой — будут ли они идти? И как изменится вес «стоящих» часов по сравнению с «идущими»?

Еще для информации. В японском городе Нима есть Музей песка. В шести стеклянных пирамидах собраны образцы песка со всего мира, а в самой большой из них, высотой 21 м, с основанием 17×17 м, находятся самые большие в мире песочные часы, точнее — годовой песочный календарь.

Пока вы думаете над заданиями, перенесемся в пустыню: вот где этого самого песка завались. Ветер, дующий над песком, рисует на нем разного вида волны. Ветер может нагонять целые горы песка, называемые дюнами или барханами, и перемещать их по пустыне, засыпая иногда и обжитые оазисы. Самые высокие дюны замечены в китайской пустыне Бадын-Джаран (Badain Jaran): некоторые песчаные горы здесь достигают 500 м, а это чуть ниже Останкинской телебашни (ее высота 540 м). Можете представить песчаную гору такой высоты? А если учесть, что с наветренной стороны угол составляет около 10 градусов с горизонтом, а с подветренной — около 30 градусов, то увидим, что гора еще и длиннющая вдоль движения. Да и поперек движения дюны обычно представляют собой длинный полумесяц, движущийся вперед выпуклой частью. Армада песка представляется фантастической. Рост огромных дюн происходит за счет поглощения ими на своем пути мелких. Но рост гигантских песчаных гор не бесконечен. Недавно появилось сообщение об открытии в этом направлении: французским ученым из Лаборатории физики и механики неоднородных сред в сотрудничестве с исследователями из США и Алжира удалось установить, что этот процесс ограничен глубиной так называемого приповерхностного атмосферного слоя, который определяет характер течения воздуха над гигантскими дюнами. Статистика и математические выкладки показали, что рост дюн ограничен высотой в несколько сот метров, чаще до 300, — в зависимости от температуры воздуха и ветров.

5. Предположим, к вашему любимому городу подходит постепенно такая гора, рискуя через несколько лет его поглотить. Что бы вы предложили, чтобы остановить эту громадину? Фантазируйте, не ограничивайте себя в средствах, — то, что сегодня недоступно, завтра может оказаться спасением.

Еще о дюнах. Многие путешественники описывали странные звуки в пустыне. Явление получило название «поющие дюны». До конца происхождение этих звуков не разгадано. Есть только модель, объясняющая рождение звука определенного тона перекатыванием одинаковых песчинок, скачущих по одинаковым траекториям с одинаковой частотой ударов. Но все равно непонятно — почему получается не просто шуршание, а именно звук определенного тона или нескольких тонов.

Еще экзотическая теория, связанная с песком. Перенесемся в Египет, точнее — Древний Египет, времен строительства пирамид. До сих пор пирамиды остаются крупнейшими сооружениями, которые когда-либо создавались человеком. Все современные аналогичные модели строительства неудачны. Самая знаменитая пирамида фараона IV династии Хеопса имеет в основании квадрат 232,4×232,4 м и высоту 146,7 м, вес ее оценивается в 6,5-7 миллионов тонн! По свидетельствам историков, есть данные, что строили ее 100 000 человек в течение 20 лет, — но это очень сомнительно. Во-первых, одновременно организовать такую массу народа и распланировать-скоординировать ее действия и сейчас-то не очень удается. Во-вторых, и с современными технологиями за 20 лет не уложились бы.

Недавно была высказана оригинальная идея: из каменных блоков возведена только оболочка и внутренние ходы и комнаты, а вся внутренность пирамиды засыпана песком. Если эта гипотеза верна, то подобное решение древних строителей было выигрышно во многих отношениях: оно многократно сокращало объемы и сроки строительства, увеличивало сейсмостойкость сооружения, благодаря ему внутренняя часть пирамиды была защищена от грабителей: попытавшись туда проникнуть, они оказались бы засыпаны песком...

Продолжаем опыты с песком. Цитата из журнала «Наука и жизнь» № 6, 1984 г.:

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 него 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.

Песок под ногами — источник исторических фактов. Зная его структуру, можно восстановить картину окружающего мира. Потрясающие фото песчинок, снятых макросъемкой, смотрите в статье «Песчинка — неповторимое творчество природы».

Кстати, арочные структуры дадут ответ и на вопрос о закручивании воронки высыпающегося песка: никакого закручивания не будет, высыпается только песок над отверстием и тот, который засыплется в образовавшуюся лунку сверху.

6. Еще интересное наблюдение. Если в коробке с песком сделать отверстие не в дне, а в боковой стенке около дна, то песок будет высыпаться при условии, что размер отверстия больше, чем толщина стенки коробки. Проверьте — так ли это.

В одном из голливудских фильмов о Спайдермене фигурирует человек-песок. Для воспроизведения соответствующих эффектов создатели фильма собрали образцы песка из разных пустынь и карьеров, но в итоге остановились на... кукурузной муке, так как она легче и безопаснее. Среди многочисленных эпизодов есть, например, нападение песка на машину, перевозящую деньги между банками. В студии машину укрепили наклонно, и песок (кукурузная мука) сам засыпался в нее. У зрителей же складывается полная иллюзия «нападения» песка на машину.

Как известно из курса физики, в жидкости давление во всех направлениях одинаково. В песке же давление может быть только вниз. Точнее говоря, не строго вниз: ведь арочные структуры строятся случайным образом и могут составиться так, что давление придется на одну из боковых стенок. Этим объясняются неожиданные поломки стен бункеров для хранения сыпучих масс. Но чаше всего, конечно, давление передается только вниз. Поэтому ни о какой выталкивающей архимедовой силе речи быть не может. Песок не выталкивает легкие предметы. И тяжелые тоже могут веками лежать на песке, так как он под ними прочный и твердый. Но есть два исключения из этого правила. Первое — пески могут «плыть», если под ними окажется источник воды и песок насытится водой больше, чем нужно для простого смачивания. В этом случае тяжелые предметы (в том числе, к сожалению, и люди и животные) могут быть затянуты в песок.

Второе исключение: если песок потрясти, то «арочные структуры» могут быть нарушены и песок станет тогда зыбким, затягивающим. В истории известен страшный случай, подтверждающий это явление. 7 июня 1692 года прибрежный город Порт-Ройяль на острове Ямайка стал жертвой землетрясения, в результате которого большая часть города исчезла в морской пучине. Вибрация от землетрясения сделала песок зыбким и податливым, — и в итоге весь город, стоявший на песке, сполз в море или провалился в песок... Спустя десять минут, когда землетрясение прекратилось, песок снова «затвердел», похоронив в своих недрах две трети города и более двух тысяч жителей. Очевидцы не знали, конечно, такого объяснения и объяснили причину катастрофу карой небесной, ниспосланной на город, который славился как прибежище пиратов и разбойников. Так что лучше пиратством не заниматься...