我在海灘玩沙子，而他們卻把沙子玩出了花

2019-08-18 20:31 作者:二次元的中科院物理所 0人讀過 | 我要投稿

趁著高溫假（科學摸魚），小編在家又溫習了一下86年的《西游記》，里面三徒弟沙和尚的“老家”—流沙河，讓我提起了濃濃的興趣，流。。。流沙組成的。。。河？

因為我的印象中，河里都是有水的。

多姿多彩的“水”

說到水，生活中處處都離不開水，而且水是維持人體生存的六大營養(yǎng)素之一，正常成年人體內含水量平均為60%[1]，嬰幼兒含水量更多，所以換句話說，我們每個人都是水做的哦。

但是有些與水相關的物理現(xiàn)象，不一定是符合大家常識。

你見過快速結冰的水嗎？（反正我見過）而且它的溫度比0度更低。

過冷水，顧名思義，就是非常特別相當冷的“水”，注意是水。過冷水是可以在溫度低于凝固點后仍然不會凝固成冰。

溫度在標準凝固點及以下的液體將會在晶種或者凝結核的存在下結晶，而如果沒有這樣的核，隨著溫度的降低到一定程度時，該晶體將會在內部均勻成核結晶。[2]? ? ? ? ? ? ?

過冷水（或液體）是不穩(wěn)定的，只要投入少量該物質的晶體或者其它凝結核，便能誘發(fā)結晶。

說完了神奇的過冷水，另一個水的現(xiàn)象更是奇特到現(xiàn)在還不能給出確切解釋。

而這個現(xiàn)象與日本江戶時期的浮世繪大師-葛飾北齋畫的神奈川巨浪有關：? ? ? ?

可能讓很多人摸不著頭腦，還有這么大的巨浪（不是海嘯）？

其實這是一種叫做流氓波（也叫怪物波、殺手波等），他們是意外并且突然出現(xiàn)的表面波，并且對于遠洋船只等會造成巨大危險。流氓波是一種自然海洋現(xiàn)象，不是由陸地運動引起的，而且大多數(shù)都發(fā)生在海上。它與海嘯明顯不同，海嘯是由大量的水位移引起的，通常是由于海底突然移動造成的，并且可以在很大范圍內高速傳播，它們在深水中無法察覺，只有到了海岸線附近才會具有一定的破壞力。而流氓波可以對遠洋航運造成巨大破壞。

要問流氓波是如何形成的，現(xiàn)在科學界還存在一定的爭論。不過可以確定的是，流氓波是一種非線性波。在深水中可以通過非線性薛定諤方程（NLS）進行模擬，在2011年，實驗室水箱中產(chǎn)生了與非線性薛定諤方程一致的小一號的流氓波。[3]

平平無奇的“沙”

在沙灘上曬太陽的你可能想不到，沙子在現(xiàn)代生活是扮演者怎么樣重要的作用，甚至可以說，沒有沙子，就沒有現(xiàn)代信息社會。

沙子的用處頗多，最常見的用途是一種建筑材料，也就是混凝土的主要原料?；炷猎谌澜鐑鹊氖褂昧渴卿摗⒛静?、塑料和鋁的兩倍。

世界上最大的混凝土澆筑的世界紀錄保持者是位于中國湖北的三峽大壩，大壩建設使用的混凝土量約為1600萬立方米。[4]（你能想象這有多大嗎）

谷歌地圖前一陣子還傳出三峽大壩已經(jīng)彎曲，你會信嗎？

另一個最常用的用途就是玻璃了。無論是普通玻璃，還是毛玻璃，還是鋼化玻璃，都少不了原料二氧化硅，而沙子的主要成分就是二氧化硅。玻璃其實是一種非晶體，一般是透明的。在自然界中，也會存在非人造的玻璃，那就是被閃電擊中的石英會玻璃化。[5]?當閃電（至少1800攝氏度）撞擊石英沙灘時，沙子將熔融形成石英玻璃，并且看上去頗具美感。

而且其中的一種玻璃—光纖，在現(xiàn)在高速數(shù)據(jù)傳輸、通信、互聯(lián)網(wǎng)領域發(fā)揮著巨大的無可替代的作用。

21世紀是信息的時代，而這一切又都是建立在芯片上的，現(xiàn)代電子產(chǎn)品不可或缺的芯片、晶體管以及其他電子元器件等大部分都是硅基的，其主要原料就是二氧化硅。換句話說，21世紀也是硅的世紀，而世界著名高科技產(chǎn)業(yè)園區(qū)—硅谷，更是突出了二氧化硅的巨大重要性。?

然而，前不久傳來了一則壞消息，那就是沙子可能要不夠用了。全世界每年大約會使用320-500億噸沙子，主要用來制造上述所說的混凝土、玻璃和電子產(chǎn)品。而這個消耗率比自然再生率要高，因此到本世紀中葉，需求可能會超過供給。[6]

來源：Sverdrup, H. U., Koca, D. & Schlyter, P. BioPhys. Econ. Res. Qual. 2, 8 (2017).

所以以后可能也要控制一下開采量了，甚至也會保護沙子，從我做起哦。

“沙”等于“水”？

因為是旱鴨子（不是）。那么有沒有一種東西可以像水一樣，我在里面肆無忌憚的不用擔心溺水，還能獲得快樂的游泳體驗呢。

答案是有這種東西，而它就是在海邊沙灘上的沙子。

當然普通的沙子是不行的，需要使用流化以后的沙子。流化過程就是顆粒材料從一個靜態(tài)固體轉到動態(tài)流體的過程，一般當氣體向上通入顆粒材料時，發(fā)生該過程。氣流從固體顆粒容器的底部引入，它將通過顆粒之間的空隙向上移動。在低氣體速度下，不足以抵消其重力，因此沙子將保持固定狀態(tài)。增加速度，高速的氣體將開始抵消沙子的重力，導致沙子彼此遠離體積膨脹。進一步增加速度，它將達到臨界值，在該臨界值處，向上的阻力將精確地等于向下的重力，從而導致顆粒懸浮在流體內。在該臨界值下，沙子被流化并且將表現(xiàn)出流體行為。通過進一步提高氣體速度，沙子的堆積密度將繼續(xù)降低，并且其流化變得更加劇烈，直到顆粒不再形成床并且被氣流“向上”輸送。[7][8]