Из песка и на песке.

Песчаный замок или просто куличик, сооруженный на пляже, наглядно демонстрирует огромное различие свойств сухого и влажного песка (см. "Наука и жизнь" N 10, 1996 г.). Влажные песчинки легко слипаются, демонстрируя резкий рост сил сцепления, которые в сухом песке определяются только неровностями поверхности, а потому невелики. Слипаться их заставляют силы поверхностного натяжения пленок воды, окружающих каждую песчинку.

Вода, смачивая стенки тонкой трубки, может "взобраться" по ним вверх сантиметра на полтора, увлекаемая силами поверхностного натяжения. Чем меньше диаметр трубки, тем выше поднимется столбик воды, тем больше сила, которая удерживает его вес. Когда соприкасаются две влажные песчинки, эти же силы поверхностного натяжения притягивают их друг к другу и довольно прочно "склеивают".

Удивляет, однако, сколь малого количества жидкости для этого нужно. Физики из университета в Индиане (США) провели эксперимент с шариками из полистирола, смоченными жидким маслом (полистирол не имеет пор, а масло очень медленно испаряется - это позволяет точно контролировать количество жидкости в системе и обеспечить чистоту эксперимента). Оказалось, что пленка жидкости толщиной всего 50 нанометров (5.10-6 см), покрывающая шарики диаметром около 0,8 миллиметра, обеспечивает достаточно сильное сцепление, приводя к устойчивости всей системы.

Чтобы песчинки хорошо слипались, вода должна только лишь покрывать частицы и их группы тонкой пленкой, большая же часть пространства между ними остается заполненной воздухом. А что произойдет, если количество жидкости станет постепенно увеличиваться?

Как только все пространство между песчинками будет заполнено водой, силы поверхностного натяжения пропадут и получится смесь песка и воды, обладающая совершенно другими свойствами. Метаморфозы песка таят в себе немалую опасность.

Наверное, каждому хоть раз приходилось слышать или читать о людях, ставших жертвами так называемых "зыбучих песков". В способности обычного на вид песка проглатывать людей есть что-то мистическое, однако это явление имеет довольно простое физическое объяснение.

Представьте, что вы стоите на песчаном берегу. Под ногами у вас слегка влажный песок; он тверд и хорошо выдерживает вес тела. В это время под толщей песка на глубине нескольких метров начинает бить подземный источник. Если поток окажется достаточно сильным, вода будет быстро подниматься вверх, заполняя пространство между частицами и раздвигая их. Сцепление резко уменьшится, песок станет "жидким", и почва в буквальном смысле поплывет у вас из-под ног (см. "Наука и жизнь" N 6, 1965 г.).

Таким образом, зыбучий песок - это самый обычный песок, под толщей которого оказался восходящий источник. Если обильные грунтовые воды движутся в горизонтальном, точнее, слегка наклонном направлении, то образуются так называемые пески-плывуны. Они тоже засасывают, но не так опасны, поскольку менее насыщены водой.

Хотя плотность зыбучего песка примерно в 1,6 раза больше плотности воды, плавать в зыбучем песке гораздо сложнее. Он очень вязок, поэтому любая попытка двигаться в нем встречает сильное противодействие. Медленно текущая песчаная масса не успевает заполнить возникающую за сдвинутым предметом полость; в ней возникает разрежение, вакуум. Сила атмосферного давления стремится вернуть предмет на прежнее место - создается впечатление, что песок "засасывает" свою жертву.

Кроме того, перемещаться в зыбучем песке можно только очень медленно и плавно, так как смесь воды и твердых частиц песка инерционна по отношению к быстрым перемещениям: в ответ на резкое движение она как бы затвердевает.

Чаще всего зыбучие пески встречаются в холмистой местности. Спускаясь с гор, потоки воды движутся по каналам внутри доломитовых и известняковых скал. Где-то ниже по течению вода может пробить камень и устремиться вверх мощным потоком. Если на поверхности находятся песчаные отложения, то поток воды, идущий снизу, превратит их в зыбучие пески. Часто солнце подсушивает верхний слой песка, образуя тонкую твердую корочку, на которой может даже расти трава. Внешне такое "песчаное болото" выглядит вполне надежно и не вызывает никаких подозрений. Тем оно опаснее и страшнее.

Существует, однако, и другой механизм превращения обычного песка в зыбучий. Надо просто хорошенько его потрясти.

7 июня 1692 года прибрежный город Порт-Ройяль на острове Ямайка стал жертвой землетрясения, в результате которого большая часть города исчезла в морской пучине. Долгое время считалось, что город просто "сполз" в море под действием подземных толчков. Однако последние исследования показали, что это не так. Оказывается, Порт-Ройяль был "проглочен" многометровыми песчаными отложениями, на которых он покоился. Толчки землетрясения вызвали энергичные колебания отдельных песчинок. Вибрации уменьшили сцепление между частицами, нарушили плотную структуру песка.

Колеблющиеся песчинки отделились друг от друга и обрели независимость. Менее чем за минуту песок стал текучим, и город, потерявший опору, начал "тонуть". Спустя десять минут, когда землетрясение прекратилось, песок снова "затвердел", похоронив в своих недрах две трети города и более двух тысяч жителей. Современники этих событий восприняли катастрофу как проявление гнева Господня, обрушившегося на нечестивый город. Ведь Порт-Ройяль - город пиратов и крупнейший рынок рабов - давно пользовался дурной славой и в Старом, и в Новом Свете.

Вот как опасно строить на песке!