沙堡的科学
Jennifer Vail | Sarah Cotts
August 14, 2023
夏日的蓝天和宜人气候召唤着我们去海滩游玩。毕竟，夏天是阳光、海浪和沙滩的代名词。在沙滩上的一天，怎么能少得了堆沙堡呢？虽然涨潮可能是每位沙堡建造者的敌人，但海洋也是他们最大的盟友。这是因为，只有潮湿的沙子会粘在一起，从而形成神奇的沙堡。干燥、粉末状的沙子虽然感觉很好，但却不适合建造沙堡，这在很大程度上归咎于凝聚力。对湿沙和干沙进行的快速测试表明，两者的凝聚力相差 10 倍！
事实证明，沙堡是粉末流变测量的绝佳示例。有助于讲述沙堡最佳材料情况的其他测量包括无侧限屈服强度和流动函数，所有这些都可以通过配有附件套件的流变仪轻松测量。是的，就是用来测量油、浆料和凝胶等材料的粘度和剪切行为的流变仪。
我们使用 Discovery™ HR 的 TA Instruments™ 粉末流变附件对干沙和混有不同水量的湿沙进行了测量，展示了少量的水分如何在沙堡建造中起到重要作用。干沙的内聚力和无侧限屈服强度较低，但即使添加少量的水分也能真正提高沙子的粘合能力，其内聚力从 0.05 kPa 上升至 1 kPa。
衡量沙堡材料优劣的另一个重要指标是流动函数，该函数通过将大主应力除以无侧限屈服强度而得出。当流动函数大于 10 时，材料可自由流动，因此不是建造沙堡的理想材料。干沙更适合从我们的手指间流过，而不是用来支撑城堡！而含 10% 水的沙子的流动函数约为 2，其强度更适于将沙子粘合在一起。但也不要添加太多的水分：当沙子中混入 20% 的水时，其流动函数又跳回到了 10，这样做出来的沙堡就会一团糟！
当然，我们去海滩前，在打包椅子、冰柜时不需要将流变仪也一并带上。但沙堡的建造令人惊讶地说明了科学家在从制造化肥到制造药片等各种行业中所面临的配方挑战。有了这个演示，下次您在沙滩上嬉戏时，就会知道，添加一点水分就可让您更轻松地建造您的建筑杰作 – 您也会知道，添加水分的原因！
