沙子+水,怎么就成了沙雕?

旅行   2024-10-10 17:19   上海  
在海边玩的时候,总能在沙滩上看到大大小小的“沙雕”。不要想错,就是那些用沙子堆起来的堡垒。入门级的就是一个个小山包,更高级的则五花八门,有动物的、人形的、卡通的。沙雕的造型千变万化,仿佛每一粒沙子都有了灵魂。

图源:摄图网

建造沙雕时,需要将沙和水混合,一般认为8桶沙子兑1桶水是比较合适的比例。加上水后,原本粒粒分明、非常松散的沙子就能被粘合起来,形成结实的团块。这时就可以像捏橡皮泥一样,把大块的沙子塑造成各式各样的形状,并像搭积木一样把它们组装成沙雕。那为什么简单加点水就可以使沙粒粘合起来呢?


水沙混合的神奇魔法
如果我们放大一堆潮湿的沙子,就会发现在沙粒和沙粒之间会沾上一小段水柱,这部分水柱的侧表面会向内凹陷。在凹陷液面的切线方向上,水柱能向两侧的沙粒产生一个拉力作用,使两侧的沙粒相互靠近,产生黏结在一起的效果。

沙粒之间的液桥能够提供粘合力,其本质是液体的表面张力

图源:@中科院物理所

这些现象都有着科学上的名字。沙粒之间的水柱,叫做液桥。凹陷液面上的拉力,叫做液体的表面张力。由于表面张力产生的黏结、靠拢甚至是相对运动,我们称这一类现象为毛细现象

可见,水的表面张力是沙粒粘合的本质原因,那它又是怎么出现的呢?这就要从更加微观的角度来解释。

一滴水中包含了大量的水分子。在分子和分子之间,也会存在一定的相互作用,称为分子间作用力,或者叫做范德华力(van der Waals force)。当两个分子间的距离太近时,两者之间呈现排斥力;而当两个分子间的距离太远时,两者之间呈现吸引力。

分子间作用力随分子间距离的变化关系

图源:作者手绘

在水滴内部,每个水分子在前后左右各个方向上都与其他水分子存在相互作用。由于分子间作用力的特点,这些水分子会自动调整相互之间的距离,使得每个分子在各个方向上受到其他分子的合力达到平衡状态。相当于吸引力等于排斥力。

但是,在水滴表面和空气相邻的薄薄一层中,情况就不一样了。和水滴内部不同,对于表面的水分子,只有在水滴切面和向内方向上存在其他水分子的相互作用,这会破坏空间和受力的对称性。自动调整距离后,表面水分子的分布会较水滴内部更为稀疏,分子间的距离拉大,从而在水滴表面上体现出整体的吸引作用。这就是表面张力的来源。

用一个理论上不是很准确、但比较易懂的图来帮助理解表面张力的形成,虚线代表液面上的分子分布,实线代表液面内部的分子分布,可见表面上分子之间的距离更大一些,从而在表面上体现出相互之间的吸引力

图源:作者手绘

表面张力使得水滴表面相当于存在一层张紧的“薄膜”。对于沙粒间的液桥,液面上这层张紧的“薄膜”会向两侧连接的沙粒传递一个拉力,以促进它们靠拢。但表面张力属于比较微弱的力,如果液桥的尺寸太大,表面张力将抵抗不了液体自身的重力,从而液桥就会垮塌,沙粒之间也会失去粘合连接。所以,为了盖一个结实的沙雕,也不是加水越多越好。

有研究表明,沙子中的水越多,液体桥越大,能够进一步增强粘合效果。但是,随着液体桥进一步增大,结合的力反而相应减小。在一定含水量范围内,将沙子结合起来的力和含水量无关。

但是在太空中,由于微重力的环境,液桥的尺寸可以变得非常大。在我们的天宫课堂中,宇航员王亚平老师给我们进行了生动的演示。在国际空间站上,也曾经搭建过直径50毫米的液桥。
地球上的液桥最多也就几毫米,而太空中的液桥则可以非常大

图源:天宫课堂

除了帮助沙粒之间粘合,表面张力的作用还能在许多生活场景中看到。一杯水装满时,它的液面可以高过杯口一定距离而不洒出,这是由于表面张力束缚了内部液体的运动,相当于一层弹性薄膜兜住了水。水黾等昆虫可以在水面上自由行走,也是因为表面张力使得液面具有一定的支承能力。植物能够自发地从地底吸收水分和营养,也是依靠表面张力克服液体的自身重力,从而完成从下到上的输运。

表面张力的作用在生活中无处不在

图源:sohu


能聚能散的太空沙是什么?
现在,你应该了解了水为什么可以在沙雕中充当粘合剂。但有朋友可能会有新的疑问:有一种太空沙,它不用加水也可以拿来捏成各种形状,这又是什么原理呢?

太空沙实质上是对普通沙子进行了特殊处理,即在其上覆盖了硅酮(俗称“硅油”)。这是一种由硅和氧构成的有机硅氧化物聚合物,其结构由一系列重复的单元链接成长链分子。硅酮在多个领域有着广泛应用,从日常消费品如化妆品、乳液、洗发水和护发素,到工业领域的润滑剂与密封剂,都能见到其身影。

硅酮展现出独特的物理性质。它既能作为自由流动的液体存在,也可在无外力作用时呈现缓慢流动的半固体状态,然而一旦受到压力则变成类似橡胶一样的固体形态。这种随外加载荷变化而调整其物理状态的特性被称为黏弹性黏弹性的程度紧密关联于硅酮中聚合物链的长度。

太空沙,一种具有黏弹性的材料,可以在不同的载荷条件下体现出流体的黏性或者固体的弹性

图源:@科林硅材料

在太空沙中,硅酮的聚合物链如同粘合剂一般将沙子颗粒紧密相连,使得沙子可以被任意揉捏,就像橡皮泥一样,塑造为各种形态。然而,一旦外力撤去,随着时间的推移,由于材料黏弹性的影响,太空沙又会慢慢像流体一样流动,使得塑造的形态逐渐摊平,最终塌掉。

无论是普通的沙子加水,还是新奇的太空沙,塑造沙雕的过程都能给我们带来快乐。你有多久没玩过沙子了呢?看完这篇,也动动手堆一个沙雕吧!

作者危安然,应用工程师,上海交通大学力学博士

策划&编辑:Tiara

封面图源:摄图网


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