Для многих областей науки, от предсказания оползней до сельского хозяйства, очень важно понимать физику потока частиц. Пока что учёным не очень хорошо это удаётся.
Какой песок в мире самый мягкий? Почему одни виды песка мягче других?
— спрашивает Питер С. из Бруклина
Мы не знаем. Никто не понимает, как работает песок.
Звучит абсурдно, но в принципе так и есть. Понимание потока гранулированных материалов, типа песка, — одна из основных нерешённых задач физики.
Допустим, вы решили сделать песочные часы и заполнить их гранулами песка, размер и форма которых известны. Вы не найдёте формулы, способной точно предсказать, сколько времени песок будет перетекать из одной части часов в другую, и будет ли он перетекать вообще. Вам останется только провести эксперимент.
Карен Дэниелс, физик из государственного университета Северной Каролины; она изучает песок и другие гранулированные среды (эта область называется «физика мягкого вещества«). Она рассказала мне, что одна из сложностей работы с песком связана с огромным количеством свойств песчинок – форма, размер, шершавость, и т.п. «Одна из причин, по которой у нас нет общей теории, состоит в том, что все эти свойства имеют значение».
Однако разобраться с отдельными песчинками – это только начало. «Нужно заботиться не только о свойствах частиц, но и о том, как они организованы», — сказала Дэниелс. Свободно лежащие частицы кажутся мягкими, потому что у них есть пространство для манёвра. Если плотно упаковать частицы, у них уже не будет места для движения, и они на ощупь будут казаться твёрдыми. Поэтому поверхность песчаного пляжа кажется мягче, чем нижние слои – песчинки в них спрессованы, и находятся ближе друг к другу.
Мы не можем найти общую теорию песка не потому, что плохо стараемся. Для многих областей науки, от предсказания оползней до сельского хозяйства, чрезвычайно важно понимать физику потока частиц. Нам просто пока не очень хорошо это удаётся.
«Люди, работающие на химических производствах с машинами, имеющими дело с частицами, подтвердят, что эти машины очень часто ломаются, — сказала Дэниелс. – Каждый, кто пытался починить автоматическую кофемолку, знает, что в ней постоянно застревают частицы. Эти вещи не очень хорошо работают».
К счастью, мы движемся не совсем на ощупь, и можем кое-что сказать о том, почему песок кажется мягче или твёрже.
Обычно песок с более округлыми гранулами кажется мягче, поскольку таким гранулам легче скользить. Также гранулы меньшего размера не так сильно давят на кожу. Но если они будут совсем уж мелкими, они будут слипаться из-за влаги, из-за чего материал будет казаться комковатым и плотным.
Дэниел сказала, что самым мягким сыпучим материалом, который она когда-либо трогала, было вещество Q-Cell – кварцевая пудра, заполняющая трещины в досках для сёрфинга. Она состоит из пустотелых гранул, поэтому кажется очень лёгким. При этом кварц плохо смачивается, из-за чего такая пудра не комкуется. Она сравнила то, как эта пудра пересыпается в ведре, с очень мелким и сухим пляжным песком.
Пляж, состоящий из «песка» Q-Cell, был бы очень мягким, но не очень приятным. Мелкий сухой порошок – это не песок, а пыль, и дышать такой пылью очень вредно для лёгких. Размеры и форма гранул песка на идеальном пляже должны сочетать в себе мягкость, мелкость, комкуемость и множество иных свойств, делающих песок мягким и приятным для ходьбы. Поскольку приходится рассматривать так много факторов, очень сложно сказать, каким должен быть идеальный мягкий песок для пляжа.
Нужно собрать больше экспериментальных данных.
