只要有心,生活处处是科学:这个海边的反直觉现象却和晶体微观结构有的一比

作者: 保福寺桥南

来源: 中科院物理所

发布日期: 2017-03-25 10:33:11

本文通过一个海边反直觉现象的实验,解释了无序密堆体系的剪胀效应,展示了科学在日常生活中的应用,并鼓励读者通过实验和思考来探索科学。

只要有心,生活处处是科学。这个海边的反直觉现象却和晶体微观结构有的一比。这次的实验效果如下,具体步骤在下面。脚踩沙滩时,沙滩上面的水反而消失了。按压装满湿沙子的塑料瓶的时候,笔芯管里面的水位反而下降。正经玩每周六上午会推送一个好玩的科学实验,可以由家长大朋友带着小朋友在家里动手操作。希望正经玩陪您度过每一个温馨的亲子周末,让小朋友的童年充满知识、爱和陪伴。

所需材料包括一根笔芯塑料管、沙子、水、塑料瓶。实验步骤如下:将沙子装入容器中,倒入适量的水,盖上盖,然后将一根透明塑料管插入其中,用力挤压,你会发现水位不仅不上升,反而下降了。

原理示意图如下:在2015年的时候物理所举办了第一届科普比赛,在比赛中“无序密堆体系奇妙的剪胀效应”这个比赛作品,给我留下了深刻印象。我们这次实验就是“剪胀效应”。

前些天我有事路过海边,突然想起了这件事,就拍了海边“剪胀效应”的视频。其实我很小的时候经常去沙滩玩,很早就见过这个现象,踩一下沙滩,上面的水就消失了,可从来没觉得哪里不对,或者觉得太习以为常了,从未深入思考。直到大神们给讲了“无序密堆体系奇妙的剪胀效应”,才忽然发现,这个现象其实是反直觉的。

无序密堆体系在受到一定的剪切应力条件下体系的体积会有一定的膨胀,也就是剪切膨胀效应,这在材料力学与地质运动中很常见。所以会出现这么一个现象:当我们用力挤压一个容器时,一般条件下容器体积会缩小,但当容器中装满沙子时,我们再用力挤压容器,容器的体积反而会增大。剪胀原理简单说起来主要就是:颗粒的无序密堆状态已经达到了它总体颗粒的最密堆状态,也就是说给这个体系一定的外力与形变,则它总体的体积会变大。

因为在这个实验中颗粒是沙子,也就是刚性颗粒,颗粒的体积不会变,所以在总体体积增大时,颗粒间的间隙会增大,所以会产生吸水的效果。

我们上面的实验都是宏观的现象,组成物体的基本元素的排列方式对物体的特性有很大的影响。其实在分子、原子的微观结构中,不同的原子排列结构对物质特性也有很大影响。仔细思考生活中的现象,处处都会有收获。

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