Fyzikální paradox
Zrádná past: v polystyrenu se lze utopit jako ve vodě

Selský rozum nám říká, že dopadne-li pevné těleso na materiál se zrnitou strukturou, zůstane buď ležet na povrchu, nebo se sice částečně zanoří, ale rychle ztratí kinetickou energii a kousek pod povrchem se zastaví. Neplatí to ale vždy. Za určitých podmínek může těleso padat zrnitým materiálem donekonečna.

Dokázal to pokus vědců z Mexika a Kuby, kteří o výsledku informují v časopise Physical Review Letters. Experimentovali s pingpongovými míčky, do nichž malým otvorem nasypali různá kovová závaží, takže získali míčky s hmotností od 15 po 182 gramů.

Míčky pak nechali dopadat do šest metrů vysokého válce naplněného granulemi pěnového polystyrenu. Pohyb míčků zaznamenávala vysokorychlostní kamera.

Zatímco lehké míčky se postupně zpomalovaly a zastavily se v různé výšce tak, jak bychom předpokládali, od určité hmotnosti výše se propadaly až na dno. Na tom by ještě nebylo nic moc zvláštního. Pozoruhodná je však skutečnost, že míčky v polystyrenu dosáhly konstantní rychlosti, takže se už dále nezpomalovaly, a kdyby byl válec delší, mohly jím padat libovolně dlouho.

Tento jev je dobře známý u kapalin, u zrnitého materiálu však byl experimentálně prokázán poprvé. Vysvětlení spočívá v tom, že odpor prostředí způsobený třením se vyrovnal tíhové síle, která míček táhla dolů.

Zda se míček do takové rovnováhy dostane, záleží na jeho vstupní rychlosti a na hmotnosti. A také na charakteru zrnitého prostředí. Oválné polystyrenové granule se před míčkem rozestupují ochotněji než kamínky s ostrými hranami, které se do sebe mohou zaseknout a zvýšit tak odpor, který prostředí míčku klade.

Zatímco v polystyrenu stačilo, aby míček vážil řádově desítky gramů, objekt stejné velikosti by při stejné vstupní rychlosti musel vážit 14 kilogramů, aby dosáhl konstantní rychlosti v hrubozrnném písku. To odpovídá hustotě 400 g/cm³, kterou nemá žádný přirozený materiál. Při procházce po pláži se tedy propadnutí bát nemusíme.

Tekuté písky

Leda že by byl písek vysoce nasycený vodou a měl další specifické vlastnosti, které by z něj udělaly past známou z dobrodružných filmů. Tekutý písek má sice tak vysokou hustotu, že se do něj člověk zcela nepropadne, může v něm však uváznout jako v lepidle a bez cizí pomoci se bude z pasti obtížně dostávat.

Pokud na zrnitý materiál saturovaný vodou působí rychlá síla, zrnka se k sobě přitisknou a ze spár se vytlačí voda. Výsledkem je struktura tvořená většími pevnými útvary, která se chová jako pevná látka. Když síla přestane působit, voda se mezi zrnka vrátí a materiál se začne chovat jako kapalina.

Podobné materiály, takzvané nenewtonovské kapaliny, mají zvláštní vlastnosti, jak dokazují dvě videa, v nichž hraje hlavní roli kukuřičná mouka rozmíchaná ve vodě. Když po její hladině rychle přeběhnete, chová se jako pružná, ale pevná látka. Jakmile se však zastavíte, pevná půda vám doslova rozteče pod nohama:

Na druhém videu stejná kapalina "tančí" působením zvukových vln:

Podobný efekt spočívající v "přepínání" mezi pevným a kapalným skupenstvím se u půd nasycených vodou může projevit při zemětřesení, v jehož důsledku se mohou domy do jinak pevné půdy doslova potopit.