点击上方蓝字了解更多计算与STEM领域研究前沿
请先欣赏几张沙漠风景图：
沙漠中的沙粒通常较为细小，直径大多在0.05到2毫米之间。其主要成分是石英等矿物质，经过风化、侵蚀和搬运等过程形成。由于沙粒在风力作用下长时间相互摩擦，它们的表面通常较为光滑、圆润，锋利的棱角很少。
此外，沙粒因为颗粒小且密度较低，在风力和其他自然力的作用下容易被搬运，形成沙丘或沙暴等现象。沙粒在白天能够迅速吸收太阳辐射，导致表面温度迅速升高，但因为其导热性差，散热速度也较快，所以夜晚温度下降时，沙粒会迅速变冷。
虽然石英是沙漠沙粒的主要成分，但根据不同的地质环境，沙粒中也可能含有长石、云母、铁氧化物等其他矿物质，这些成分的差异也影响了沙粒的颜色和质地。而由于沙粒表面光滑且颜色较浅，它们对阳光的反射性较高，这也是沙漠白天阳光刺眼的原因之一。
但是，你可知道，风沙也是极具破坏性的！
古诗有云：“黄沙百战穿金甲，不破楼兰终不还。”
“黄沙”指的正是沙漠中的沙粒，表现了沙粒无处不在的特性，也通过战士身上的“金甲”被磨损，隐喻了沙粒在风中磨蚀的力量。
当强风卷起大量沙粒后，这些沙粒以高速撞击物体表面，产生机械冲击。这种冲击随着风速的增加而增强，长期作用下能磨损建筑物、岩石表面，甚至导致金属物体出现腐蚀或表面刮痕。这与喷砂工艺有相似的效果。
沙粒在物体表面来回摩擦，导致其表面逐渐被削去。这种磨蚀过程会削弱建筑材料的强度，尤其是对砂岩、石灰岩等较软的材料影响更大。长时间的磨蚀可导致地形变化，如风蚀地貌的形成。
风沙的不断撞击和磨蚀会对材料产生疲劳效应，特别是金属、玻璃和一些合成材料。尽管单次的冲击可能并不足以破坏这些材料，但长时间累积的微小损伤会逐渐削弱材料的承受能力，最终导致断裂或破损。
其实沙漠中的沙粒本质上属于颗粒介质。颗粒力学中对于颗粒介质的研究主要有：
静力学行为
应力链、搭拱效应、应力浸斜
动力学行为
颗粒流的非线性行为、沙粒聚类、分聚和自组织行为
例如从力链的角度出发，可以研究力在颗粒间传递路径的分形特征及其同颗粒集合体构造历史的相关性。
图：沙丘
在沙漠中，沙丘是常见的地形结构，其形成与风力、重力、颗粒堆积历史等因素密切相关。通过研究沙粒颗粒间的应力传递路径，可以揭示沙丘内部的力学平衡状态。
如果力的传递路径呈现分形特征，说明应力在沙丘内部并非均匀分布，而是集中在某些特定的路径或区域。这种不均匀的应力分布可以帮助解释沙丘的动态稳定性和塌陷风险。
基于此，可以预测沙丘是否处于临界状态，是否可能发生局部滑坡或整体形变。这在沙漠公路、建筑等工程项目中有重要应用，可用来选择更安全的地质环境，避免因沙丘塌陷而造成工程破坏。
图：沙漠公路
与此同时，在沙粒的力学行为中，还存在搭拱效应（arching effect）和应力浸斜（stress dip）。这是两个非常重要的现象，它们对沙粒集合体的力学特性、稳定性及工程中有很多应用。
首先先解释一下：
搭拱效应是指在颗粒材料（如沙粒）中，当外部施加载荷时，部分应力通过颗粒的相互作用被重新分配，使得某些颗粒承受的应力减小，而周围颗粒承受的应力增加，形成类似于拱形的应力传递结构。
应力浸斜是指在某些颗粒材料堆积体系中，颗粒内部的应力分布不均匀，表现为在某些区域应力反而降低的现象。这与搭拱效应密切相关，通常发生在颗粒堆积体的中部区域，即应力并非随着深度的增加而线性增加，而是在中部出现一个应力下降的现象。
以下是一些常见的应用：
应力浸斜相关：
在沙漠中，风力携带沙粒形成沙丘或沙波时，局部应力分布不均匀可能导致沙粒在某些区域更易沉积，形成风蚀地貌。通过理解应力浸斜的分布，可以更好地预测沙丘的形成和演变过程，从而采取有效的防风蚀措施。
由于应力浸斜，部分区域的应力较低，可能诱发沙粒滑动或崩塌。通过分析应力浸斜的影响，工程师可以设计出更有效的边坡加固措施，防止沙漠边坡的滑坡和塌方事故。
应力浸斜的存在使得沙堆在中部区域应力较小，沙粒更容易堆积成形，避免了因过度应力导致的塌陷。通过研究应力浸斜的现象，可以更好地预测沙堆的稳定性，优化沙漠中的基础建设，确保沙丘或堆积物在外力作用下的安全性。
搭拱效应相关：
在地下埋设管道或设施时，沙粒的搭拱效应可以减少这些结构所承受的上方重力载荷。由于拱形应力路径的形成，管道上方的沙粒产生了“卸载”效果，减轻了对管道的直接压力。这对沙漠地区的基础设施建设具有重要的保护作用。
利用搭拱效应，通过设计合理的结构，利用颗粒间力的重新分配，可以提高挡沙墙的抗冲击能力，使其更有效地抵御风沙侵袭和沙流压力。
搭拱效应可以减缓沙体在重力作用下的滑动。由于应力通过颗粒的相互作用得到重新分配，局部区域的力得到了有效的传导和支撑，从而使得整个沙堆更加稳定。这在沙漠地区的土壤工程（如堤坝、斜坡等）中有重要作用，防止由于重力和风力作用导致的沙体滑动或塌陷。
综合来看：
在沙漠中建设高层建筑、道路或桥梁时，利用搭拱效应可以减轻局部区域的应力集中，增强地基承载力；而通过理解应力浸斜现象，可以避免地基中应力过低的区域，防止局部沉降或坍塌。
通过结合搭拱效应和应力浸斜的分析，可以更准确地预测风沙运动过程中沙粒的堆积方式、沙尘暴的发生地点以及沙丘的移动路径。为沙漠化治理和风沙防护提供参考。
埋设管道或地下设施时，可以利用搭拱效应减轻上方沙粒对管道的压应力，同时通过避免应力浸斜较大的区域，防止地下设施因局部应力过低而失稳。
动力学方面，主要涉及到颗粒流。其研究的核心就是非线性行为。
颗粒流是指大量颗粒物（如沙粒、土壤、谷物、矿石、粉末等）在外力作用下（如重力、风力、流体力、机械力等）发生相对移动和流动的现象。颗粒材料不同于液体或固体，表现出独特的力学行为，因为它们由离散的颗粒构成，每个颗粒既能相互作用又能独立运动。
颗粒流介质中，颗粒是独立的个体，彼此之间有摩擦、碰撞等相互作用。其行为受个体颗粒的性质（如大小、形状、材料特性）和整体体系的属性（如压力、密度、堆积方式）共同影响。颗粒流既可以像液体一样流动，又可以像固体一样保持形状，还可能在特定条件下形成混合的流动模式。
颗粒流有密集和稀疏两种流动形态，颗粒紧密堆积并通过摩擦和碰撞相互作用，形成密集的流动（如土壤滑坡或沙流）；颗粒相对稀疏，颗粒之间的相互作用较少（沙尘暴中的沙粒流动）。
颗粒流普遍存在着非线性行为。颗粒流的非线性是指颗粒流的行为对外界条件（如力、压力、速度等）并不呈现简单的线性响应，而是表现出复杂、不可预测的行为。通常表现为颗粒流动的方式、速度和稳定性对外部因素产生极其敏感且复杂的反应。
具体表现如下：
在某些条件下颗粒可以像液体一样流动，而在其他条件下则表现得更像固体。这种应力-变形关系通常是非线性的。
发生局部的应力集中或力链效应，即部分颗粒承受大部分外力，导致颗粒间的应力分布非常不均匀。这种力链效应通常呈现出复杂的分形或非线性特征。
颗粒堆积时，当外力逐渐增加到某个临界点时，颗粒可能突然发生大规模滑动或坍塌。这种突发行为与非线性动力学相关，类似于雪崩或滑坡现象。
颗粒之间的摩擦、碰撞、滚动和静电相互作用都会导致非线性行为。例如，颗粒流动时，颗粒之间的摩擦系数并不总是恒定的，而是会根据颗粒的相对运动速度、表面性质等因素发生变化，从而影响整体流动行为。
颗粒流的非线性还体现在其时间和空间分布上的复杂性。颗粒流动可能表现出局部化的行为，即某些区域流动较快，而其他区域则相对静止，甚至在宏观上表现为混沌或随机行为。
而颗粒的非线性行为在沙漠环境中可以指导沙尘暴预测与防治，预测沙丘稳定性与移动以及防风蚀与沙漠化治理。
此外，颗粒流现象还广泛存在于土木、地质、能源、和材料中。
例如：
采矿和矿石加工中，尤其在传输、筛选、粉碎过程中，颗粒流动会呈现非线性。通过理解这些非线性过程，可以提高矿石加工的效率，减少能源消耗，并降低设备磨损和故障率。
泥石流和沙崩是典型的非线性颗粒流现象，发生时呈现出不可预见的快速流动和大规模破坏。通过研究其非线性行为，可以预测泥石流和沙崩的发生时间和路径，帮助制定有效的防灾措施，如设置防护坝、建设疏导通道等。
在食品加工和药物生产中，颗粒材料的混合、运输和包装过程存在复杂的非线性行为。理解这些行为有助于改进工艺流程，确保产品质量的一致性和稳定性。
颗粒流中的非线性行为涉及混沌、分形、临界状态等复杂现象。研究这些行为能够加深我们对非线性动力学和复杂系统的理解，推动新理论的发展。
总的来说：
学好力学
如果涉及到精确计算和描述，就可以通过先进的计算方法、设备和理论，对问题进行定量分析。
如果不需要定量地描述，日常生活和生产实践中也需要了解相关的原理，更好的为生活和生产实践服务。定性的分析能帮助我们认识世界，更好的生存！
