Вы когда-нибудь обращали внимание на то, что в песочных часах вначале высыпается песок из верхнего слоя? Т.е. сначала высыпаются песчинки, находящиеся непосредственно над отверстием. В результате посередине образуется воронка, в которую они все скатываются, а песчинки, расположенные по бокам, высыпаются в нижнюю часть часов только в след за ними. Если даже наклонить песочные часы, воронка всё равно будет образовываться точно по вертикали над отверстием. Странность заключается в том, что песчинки, которые находятся рядом с отверстием высыпаются последними. А те, что наоборот, находятся далеко от отверстия, высыпаются первыми. Так что же мешает песчинкам, расположенным в нижних слоях вокруг отверстия, высыпаться в первую очередь, ведь они ближе к нему? Если провести такой же эксперимент с водой, то будет очевидным, что вода, которая находится ближе всего к сливному отверстию попадет туда первой.
Физика процесса проста. Песчинки, лежащие по бокам вблизи от отверстия, зажаты со всех сторон соседними песчинками, таким образом, они получаются заблокированными. Другими словами, под давлением песчинки размещаются так, что заклинивают друг друга, мешая взаимному перемещению. В результате под внешним и внутренним давлением песок утрачивает подвижность и приобретает свойства схожие со свойствами твердого тела. На верхний слой такого давления нет, поэтому он и высыпается первым.
Это физическое явление называется — «арочная структура». Оно очень давно изучено людьми и издревле широко используется в строительстве. Без него невозможно было бы построить туннели и арочные проемы. В арке каждый отдельный элемент не может переместиться в направлении действия внешней силы, так как он зажат соседними элементами, которым и передает нагрузку. Этим объясняется прочность сводов туннелей метро, куполов соборов, арочных проемов.
Именно это явление заставляет песок в песочных часах пересыпаться равномерно, независимо от высоты его столба. И первыми высыпаются песчинки именно верхнего слоя, потому что они не связаны арочными структурами.