核心概念
物理学
材料
压缩
地质学
引言
夏天是在海滩上漫步，赤脚沿着海岸线行走的好时光。在这样做的时候，你有没有看过你在湿沙上的脚印？ 如果有的话，你可能会注意到，每走一步，你脚周围的沙子看起来都会变干。这是为什么呢？ 这些干燥的脚印是由你脚的压力造成的。 你可以通过尝试这个沙滩活动来确切地了解这是如何发生的！
背景
许多海滩是由沙子组成的，沙子来自——被水和风磨成微小颗粒的岩石。 像沙子这样由许多独立的微小颗粒组成的材料被称为颗粒材料。 即使沙粒看起来是直接相互接触的，由于它们是不规则的形状，它们之间也有很小的空间。（想想一大堆更大的岩石之间也有类似的空间。）这些空间被称为孔隙。 海滩上的所有沙粒之间都有许多孔隙。
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如果你把水倒在沙子上，水似乎消失在沙子里了。 它实际上并没有消失——它只是流入了颗粒之间的小孔隙中。 一旦所有这些孔隙都充满了水，沙子就饱和了，这意味着沙子不能再吸收更多的水。 当你挤压这些饱和的沙子时，你可能会预期沙子中的水会再次从孔隙中出来，类似于你挤压湿海绵时发生的情况。 然而，事实并非如此。 情况恰恰相反。 似乎有更多的水消失在沙子里了！ 造成这种情况的原因是一种叫做颗粒材料的膨胀性。
膨胀性是指当您挤压（施加压力）一种材料时，它会膨胀而不是收缩。 发生这种情况是因为在压力下，沙粒实际上会稍微将彼此推开，从而在它们之间产生更多的空间。 这意味着有更多的空间让水流入，从而在海滩上留下干燥的脚印。 一旦压力释放，沙粒又会靠得更近，留给水的空间就更少了。 在这个活动中，你将展示这种湿沙效应——你甚至不必在海滩上！
材料
碗
沙子
水瓶（窄口）
两个大气球（理想情况下它们是透明的）
两根透明吸管
两个橡皮筋
纸
勺子
水
毛巾
可以容忍溢出的工作区
宽口塑料水瓶（可选）
尺子（可选）
胶带（可选）
记号笔（可选）
C型夹（可选）
两块废木材（可选）
准备工作
用纸做成漏斗，将漏斗放入窄口水瓶的瓶口。 然后用勺子将沙子放入纸漏斗中，将水瓶完全装满干沙。
给其中一个气球充气。 然后将气球的颈部拉伸到水瓶的瓶口上。 将瓶子倒置，将沙子倒入气球中。
一旦所有沙子都进入气球，将气球从瓶子上取下，让剩余的空气排出。 现在气球应该只装满沙子。
向气球内的沙子中加水，直到沙子饱和并且不能再吸收任何水。（你可以使用你用于沙子的相同倒置瓶技术。）一旦沙子被水饱和，气球内部的沙子应该从各个方向看起来都比较暗。 当你把水倒在沙子上时，水会流到哪里？
当沙子饱和时，将吸管插入气球的颈部足够深，使吸管的末端在湿沙中。 用橡皮筋将吸管紧紧地固定在气球的颈部。
用清水填充第二个气球。 然后将第二根吸管插入气球的颈部，使吸管的末端在水中。 再次用橡皮筋将吸管紧紧地固定好。
步骤
拿着装满水的气球，抓住它与吸管连接的颈部。 将它放在碗的上方，以防溢出。 然后向吸管中加水，直到半满。 你认为当你挤压气球时，吸管中的水会发生什么？
用手稍微挤压气球。 观察吸管内的水。 吸管内的水会发生什么？ 你预料到会发生这种情况吗？
把装满水的气球放在一边，拿起装满沙子的气球。 再次向吸管中加水，直到半满。 你认为这次当你挤压气球时会发生什么？
用双手尽可能地挤压气球。 观察当你压缩饱和的沙子时吸管内的水会发生什么。 吸管中的水位是上升、下降还是保持不变？ 你能解释你的观察结果吗？
现在释放气球上的压力，并在观察吸管中水位的同时稍微摇晃它。 水位会再次变化吗？ 如何变化？
附加：尝试一个更简单的活动版本。 向一个宽口塑料水瓶中加入沙子，直到四分之三满。 加入水直到沙子饱和，并且沙子上方大约有四分之一英寸的水。 然后用手挤压水瓶。 你注意到了什么？ 在挤压的同时，将水瓶倒置在碗上方。 你看到倒置瓶子时有水滴到碗里吗？ 然后停止挤压瓶子并稍微摇晃它。 会发生什么？ 现在不挤压就将水瓶倒置。 这次有水进入碗中吗？
附加：你还可以使用哪些其他的颗粒材料来演示湿沙效应？ 尝试粘土、玻璃石或“魔术沙”。 你得到了类似的结果吗？
附加：尝试量化有多少水消失在沙子里，这取决于你施加在气球上的压力。 将尺子放在吸管旁边，并用记号笔每隔四分之一英寸做标记。 然后，不要用手对气球施加压力，而是使用缠绕在气球中间的 C 型夹。 要对气球的较大区域施加压力，可以在连接 C 型夹之前，在气球的每一侧放一块废木材。 写下每次转动 C 型夹螺丝时水位变化的量。
观察和结果
当你挤压装满水的气球时，你可能会看到水像你预期的那样升起。 但是，当你挤压装满沙子的气球时，水位可能会下降，这似乎有悖常理。 发生这种情况是因为在压力下，沙粒彼此推开得更远，从而使沙子的体积膨胀。 这在沙粒之间产生了更多的孔隙空间，吸管内的水可以排入其中。
当你释放沙子上的压力并稍微摇晃气球时，沙粒会回到它们之前的更密集的排列中。 因此，当沙粒之间的孔隙空间减少时，吸管内的水开始缓慢地再次上升。 这正是你在湿沙子上留下干燥脚印时发生的事情。 当你的脚对下面的饱和沙子施加压力时，沙粒会移动，这会产生更多的孔隙空间让水消失。 你脚周围的沙子看起来很干燥。 当你移开脚——以及沙子上的压力——水就会从沙子里出来。
清理
将水从装满水的气球中取出，并将两个气球（包括吸管）放入普通垃圾桶中。
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