神奇砂實驗

生活科學趣談

先來看一則視覺效果非常有趣的影片,請點選下列影片縮圖↓

有興趣做一個來玩的朋友請參考下列這則影片

在認識這個有趣現象背後的物理機制之前,先來看一段炒花生的影片:

以及糖炒栗子:

使用食鹽與小砂礫來伴炒的目的是提供熱載體,因為花生與栗子的顆粒大,其與鍋底的接觸面積卻很小,若直接炒很容易在局部烤焦時卻還沒熟。若藉由食鹽與砂礫的低比熱容易升溫的特性,藉由這些高溫的熱載體來填入花生或栗子彼此之間的空隙中,即可有效將熱量藉由熱傳導傳遞給花生與栗子。並且由於受熱均勻,花生與栗子就能在未烤焦之前炒熟了(炒栗子加糖則是為了增加焦糖化所帶來的香味),這就如同烤肉結束後的烤蕃薯會使用鋁箔紙來包覆蕃薯是類似的道理。影片中這種伴炒的過程可視為「流體化」,而具有流體行為的花生或栗子就稱為流體化床(Fluidized bed)。

回來看這個神奇砂實驗,其屬於氣泡式流體化床的形式。YouTuber: Mark Rober 以漂浮的乒乓球來解釋這個有趣的現象,當沙子被底下揚起的空氣吹動時,他解釋這些上升的氣流能對物體提供一個向上的推力。不過更大的力量其實是來自於快速擾動的砂粒在撞擊物體底部時,藉由碰撞所產生的動量變化就能提供比氣流更大的力量,畢竟砂粒的密度遠大於空氣,因此撞擊所產生的動量變化率(註:等於力)就會比氣流大得多。至於人站上去會沈,則是因為氣流與上湧的砂粒施加在腳底的力量小於體重所致。

由於這個湧動的砂池可以視為土壤液化的空氣版本伴隨著氣流,置入其中的物體是沈是浮還得依亞基米得的 浮力原理 來判定。也就是說,混合著空氣與砂的平均密度若高於所投入的物體,那麼啟動後,原本藏入其中的球類就會浮起來,甚至包含片尾那個汽油桶;但倘若丟入的物體密度大於空氣與砂的平均密度,那麼磚頭與榔頭等物體在啟動後就可能會陷入其中。

至於未啟動時,任何物體放在乾沙上都不會沈沒,縱使是密度比沙子還大的榔頭也是如此。這是因為沙子之間的摩擦力(剪切力機制)所造成,就如同以筷子吊米瓶的機制↓。我通常是這樣表演:請觀眾選一瓶,如果是選到壓實的,我就將筷子插入(不要露出用力的表情),並將它吊起來,接著將鬆散的交給觀眾請他照做。如果觀眾是選鬆散的,那就把那一瓶交給他^^

最後,YouTuber Mark Rober 對於這個神奇砂現象的解釋使用了冒氣泡的跳水池為例來說明”氣墊的緩衝作用”似乎說得不夠精準,因為跳水池冒氣泡主要是為了讓練習者比較容易抓到水面高度^^

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