Стержень в песке: почему он падает боком экспресс
Стержень, воткнутый в гранулированный материал — например, в песок или слой мелких шариков, — ведёт себя совсем не так, как можно ожидать. Вместо того чтобы уходить вертикально вглубь, он быстро отклоняется от вертикали и в итоге ложится горизонтально. Это выяснили исследователи, которые бросали жёсткие и гибкие стержни в двумерный слой пенопластовых шариков и следили за их движением на высокоскоростной камере.
Причина отклонения — неоднородности в упаковке шариков: в одних местах они лежат плотнее, в других — рыхлее. Стержень, встречая более плотный участок, испытывает большее сопротивление с одной стороны и начинает поворачиваться. Короткий стержень поворачивается быстрее длинного, потому что у него меньше момент инерции — его легче закрутить. Гибкий длинный стержень не просто наклоняется, а изгибается (теряет устойчивость), и из-за этого проникает мельче, чем жёсткий стержень того же размера.
Этот результат помогает понять, как ведут себя длинные предметы в сыпучих средах — от свай, забиваемых в грунт, до корней растений или даже животных, зарывающихся в песок. Возможно, инженерам стоит учитывать, что тонкий стержень не пойдёт прямо, если среда неоднородна.
Пенопластовые шарики в опыте были диаметром около 3 мм, а стержни — длиной от 5 до 20 см. При такой разнице масштабов стержень чувствует каждую неоднородность упаковки, как если бы вы шли по полу, усыпанному крупными булыжниками.