Почему песок мягкий?

Original author: Randall Munroe
  • Translation

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, шероховатость, 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.

Ads
AdBlock has stolen the banner, but banners are not teeth — they will be back

More

Comments 43

    +4
    Я не очень понял картинку со Скайуокером — она говорит, что из промышленных инженеров только Скайуокер не любит песок?
      +3
      Ну он же с Татуина, наверняка подустал от песка.
        +12
        Судя по диаграмме, некоторое подмножество Энакина Скайуокера не любит песок.
          +6
          Не просто подмножество — а та его часть, которая считает себя промышленным инженером :)
            +3
            Противоречия нет. Множественное число в критерии «не любят песок» относится к мидихлорианам, количество которых в организме Энакина Скайуокера настолько большое, что у них появилась специализация. Заметная их часть считают себя промышленными инженерами и действительно не любят песок — хотя он и мягкий, но в инженерной деятельности скорее помеха.
          +4
          Картинка говорит, что у Анакина и промышленных инженеров есть общая черта: они не любят песок.

          Вообще, это отсылка к бредовой реплике из приквелов. При съёмках приквелов Лукас остался один, его авторитет ставить под сомнение никто не мог. Поэтому вовсю проявились недостатки его как сценариста: Лукас не умеет писать естественно звучащие диалоги.
            0
            Ха-ха, спасибо! И смех и грех, монолог уровня… довольно невысокого.
            Хотя там в каментах версия о том, что это сделано намеренно, в соответствии с его возрастом.
            +1
            Из всех эмоций промышленных инженеров и всех эмоций Энакина есть общее, что они не любят песок

            upd: надо чаще обновлять комментарии
            0
            Интересно. Но, теоретически, если посчитать свойство для каждой отдельной частицы, то в перспективе можно получить и общие характеристики группы частиц?
              0

              Как минимум, нужно узнать не только свойства каждой частицы, но и характеристики всех взаимодействий частиц, включая их расположение. Сейчас подобное делается только статистическими методами.

              –5

              Главное, если научиться точно моделировать работу песка, то и проблема сахарного песка, возможно, будет решена.

                +18
                Кажется, что все знают, что такое сахарный песок и мало кто знает, какая у него проблема. Однако ссылка на сахарный песок есть, а на проблему — нет. Это странно)
                +2
                Я бы сейчас промоделировал работу песка лёжа на песчаном пляже где ни будь на Гавайях. Чтобы понять как работает песок — нужно думать как песок.
                  +6
                  Есть забавная задачка — вы насыпаете картошку в ведро и начинаете перетряхивать — вопрос — в результате качественного перетряхивания — какая картошка окажется наверху — крупная или мелкая?
                  Эта задача не имеет ответа — наименее энергетичное состояние свое для каждого набора картофелин. Пусть в процессе одна картошка помялась — после размещение может быть совершенно другим. Очевидно, что для песка это так же.
                  www.scientific.ru/journal/physnews100301.html
                  вот тут популярно и интересно.
                    0

                    Полагаю, на идеальное перетряхивание нужно затратить довольно много энергии и времени.
                    А вот если рассматривать камни, скатившиеся со склона, то более крупные оказываются ниже (дальше от склона), потому что имеют больше энергии и катятся лучше.

                      0
                      Видимо из-за сопротивления — мелкий камень с большей вероятностью застрянет, скажем, в траве.
                      0

                      А вот в случае с Лего мелочь всегда снизу.

                      +1
                      Формулы нет по той же причине, что и некий Джо был неуловим.
                      — Она никому не нужна, да и параметров песка много.
                        0
                        Нужна, да еще как! При определении составов смеси бетона и в особенности полимербетонов выбор песка и его объема очень важная задача
                          0

                          Работники горнообогатительных комбинатов с вами не согласны.

                          +2

                          Похоже на вычислительную задачу из области ядерной энергетики или формирования вселенной.
                          Каждая частица — имеет свои особенности. Любое начальное расположение ведет себя уникально без повторений.
                          Все эти параметры — попытка упростить все эти значения. А исходя из того что начальных состояний много, и все они потенциально сильно значят даже на коротком горизонте прогноза — задача похожа на теорию хаоса.

                            +3

                            В ядерной физике частицы не имеют особенностей. Каждый предыдущий нейтрон неотличимо похож на предыдущий.

                              0

                              А как же виды излучений, тяжелые элементы — носители реакций распада? Протоны и электроны? Разное ядерное топливо, похоже, имеет свои уникальные особенности, несмотря на единый механизм цепного распада.

                                0

                                Вы не сможете отличить протон, образовавшийся от распада урана от протона, образовавшегося от распада цезия. В момент распада у них могут быть разные энергии, но в остальном они неразличимы.

                                  0
                                  Вы правы. Все протоны между собой неразличимы, как и нейтроны. Но протон от нейтрона отличается, так же как отличаются от электронов. Моя мысль состоит в том, что даже в ядерной физике есть, пусть и ограниченное, но разнообразие частиц, каждый вид которых имеет свой набор характеристик. В итоге даже с двумя/тремя элементами можно получить великое множество перестановок в пространстве, образуя, например, разную концентрацию, которая порождает разную плотность поля и т.д.
                                    0

                                    Да, но это проблема другого уровня, чем описываемая проблема песка. В физике элементарных частиц очень мало "разного", но правила их взаимодействия ужасны. В "физике песка" взаимодействие довольно простое, но зато каждая частица — совершенно отдельная история.

                              0
                              Еще кипение туда же. Каждый пузырек по своему взаимодействует с остальными, а этих пузырьков — ого-го сколько.
                              +1
                              Проблема ведь не в сложности понимания как это работает. Проблема просто в количестве необходимых вычислений + разброс параметров. Таким же образом мы не знаем как работает трение, сопротивление воздуха и прочее.
                                0
                                У меня не укладывается в голове как можно расщеплять частитцы, запускать марсоход, изучать свойства отдаленных галактик, при этом такие казалось бы «обыденные» вещи представляют сложнейшую для моделирования и исследования задачу. Не могу избавиться от обидного ощущения, что мы постоянно не тем занимаемся. Как студент, который лучше приложение в аппстор напишет, чем сподобится лабу по Cи сдать.
                                  +2

                                  если все будут заниматься тем, то никого не останется, кто будет заниматься не тем, и возникнет дефицит не того

                                  0
                                  В инженерной геологии есть куча параметров, характеризующих свойства грунта (плотность скелета, сцепление, угол внутреннего трения, гранулометрический состав, влажность, просадочность, текучесть, пластичность и т.д.) эти параметры достаточно точно определяются лабораторными исследованиями. Для типичных инженерных задач есть формулы для определения всего что может потребоваться: осадки, просадки, расчетного сопротивления на любой глубине, угла естественного откоса, сдвига по плоскостям скольжения…
                                  Так и не понял из статьи — какую задачу не могут решить. Подогнать классификацию под параметры «мягко ходить босиком» думаю не составит труда, так же как и описать работу песочных часов. Возможно тут имеются в виду трудности компьютерного моделирования нелинейных деформационных моделей грунта? А в наиболее распространенных инженерных задачах все возможные погрешности уже учтены в коэффициентах надежности.
                                    0
                                    В инженерной геологии есть куча параметров, характеризующих свойства грунта (плотность скелета, сцепление, угол внутреннего трения, гранулометрический состав, влажность, просадочность, текучесть, пластичность и т.д.) эти параметры достаточно точно определяются лабораторными исследованиями.

                                    Да там "точность" плюс-минус полпорядка. И измеряемый объект буквально закопан. Не припомню ни одного случая, чтобы какая-нибудь матмодель работала без предварительных калибровок ("эмпирических коэффициентов") для текущего массива…
                                    Хотя это больше про обычную геологию.

                                      0
                                      Речь о том, чтобы построить модель которая бы не содержала бы эмпирических коэффициентов и характеристик каждой отдельной песчинки. Можно же просто записать уравнение движения для одной песчинки, и дальше пусть падают через горлышко песочных часов — всё посчитается, но это сотни тысяч уравнений — но это не то.
                                        0
                                        а нужно ли это? Движение жидкостей никто по-молекулярно не рассчитывает.
                                          +1
                                          Для динамики жидкости и газа есть уравнения Навье-Стокса которые вполне работают. Но! Стоит нам повысить скорости — и — welcome в турбулентность, где куча моделей… с эмпирическими параметрами. Теория турбулентности — это кладбище, где каждая новая теория добавляет крест. (Кто-то из грандов).
                                          Методами МКТ приходится считать например газ вблизи стенки — когда расстояние до стенки уже сравнимо с длиной свободного пробега.
                                      0
                                      Задача никогда не будет решена. Какой дурак откажется от такой работы — целыми днями считать песок на пляже, и проверять как чинится твоя доска для сёрфинга?
                                        0
                                        Выглядит как пост из очень давно не обновлявшегося «What If?»
                                          0
                                          Есть куча моделей, программных пакетов для моделирования динамики и статики частиц.
                                          Почему-то про реальное состояние вопроса ни слова.
                                          ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B4_%D0%B4%D0%B8%D1%81%D0%BA%D1%80%D0%B5%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B0 — с этого можно начинать, и дальше по пакетам
                                            +1
                                            Как человек, работавший над проблемой переноса частиц в воде (прикладная задача о наносах песка и почвы в ирригационных каналах) могу сказать что проблема не надуманная.
                                            Можно иметь кучу разных математических моделей, которые в тот или иной момент совпадают с реальностью, но универсального ответа не получится, по крайней мере у нашей группы не было.
                                            Как указал автор, есть куча параметров, которые влияют на свойства группы песчинок и даже зафиксировав этот один из параметров (форму, например) всё ещё сложно точно предсказать цельное поведение группы.

                                            Рэндалл Манро даёт ответы для неспециализированной публики, объясняет «на пальцах» причем довольно хорошо. Говорю как владелец его книг. Они офигительны.
                                            0
                                            Так вот почему он перестал писать в WhatIf… он перебрался в NYT
                                              0

                                              Не статья, а болтология с научно-популярными наукообразно-попсовыми картинками.
                                              Про бессилие науки перед тайнами бермуд.

                                                0
                                                'Ясно одно — законы для жизни лишь только вторичны… Первичны законы песка...'
                                                Complex Numbers ©
                                                  0

                                                  http://universalmechanism.com/gallery/granular2.gif
                                                  Подробнее: http://www.umlab.ru/plugins/catalogue/index.php?id=13
                                                  Ограничено данные задачи решают и вполне успешно моделируют гранулярные среды. И не только для "мультиков", а вполне себе инженерно для определения параметров виброуплотнения, оптимальной формы вагонов для сыпучих грузов и т.д.
                                                  Странная статья, да и оборвалась на полуслове.

                                                  Only users with full accounts can post comments. Log in, please.