研究小组发现，建造坚固沙堡的关键是每八桶沙子混合一桶水。根据贝内特的说法，这个完美的比例确保了水只会粘合沙子，而不是起润滑剂的作用。事实上，沙堆的强度取决于两个因素。这些桥将沙粒拉向彼此，减小了水和空气之间的表面积，同时增大了水和被吸引的沙子之间的表面积。然而，一旦水占据沙堆的15%，或沙粒之间总有效孔隙的35%，这一规律就会被打破。超过这个极限，沙堆的牢固性就开始减弱。
想堆超级沙堡请收下这份终极攻略 | Physics World 专栏
图1 超级沙堡 | 图源：guinnessworldrecords.com
建造沙堡是在海滩上度假的小乐趣之一，但你真的了解这些结构背后的科学吗？拿上桶子和铲子，让我们一起去 探索 沙子科学的奇妙世界。
撰文 Ian Randall
翻译 赵金瑜
校译 于茗骞
责编 | 冯灏
湛蓝的天空下，一座无与伦比的碉堡高耸入天。这一建筑的中心呈金字塔状， 在环绕其周围的城垛和扶壁之间，支出了几十个形状和设计各异的尖塔和塔楼。地基周围有一道加固墙，后面有一头警觉的巨龙浮在水上，还有一座灯塔矗立在旁。
不不，别激动，我们说的可不是《物理世界》 （ Physics World ） 新总部的设计，而是一座最近打破了吉尼斯世界纪录的巨大雕塑——有史以来最高的沙堡。这座宽32米、高21.16米的城堡 （见图1） 由荷兰艺术家威尔弗雷德·斯蒂耶 （Wilfred Stijer） 和他的30多名雕塑家团队用4860吨沙子建造而成。在一个精致的木制脚手架的辅助下，这座城堡于2021年7月，在北日德兰半岛 （North Jutland） 的丹麦海滨村庄布洛克胡斯 （Blokhus） 建成。完工后，建造者在其表面涂了一层胶水，期待这座超级沙堡能够一直向游客展出，直到明年2月或3月的下一场重霜来临。
但和沙子打交道并不像看起来那么容易。在斯蒂耶和他的团队成功之前，世界上最高的沙堡由另一个荷兰沙雕家托马斯·邓根 （Thomas van den Dungen） 在德国海滨度假胜地宾兹 （Binz） 建造而成，其高度为17.65米。邓根曾参与创造了世界上最长的沙雕 （27.3公里） ，也在一小时内建造过数量最多的沙堡 （2230个） ，实在可谓玩沙达人。
然而，邓根之前两次打破最高沙堡纪录的尝试都失败了，其中一座建筑在完工前几天倒塌了，另一座的建造则被一群在建筑工地上筑巢的保护动物岸燕 （shore swallows） 打断。在海滩上度假时，可能没人会想费这么大功夫去挑战世界纪录。不过， 科学能告诉我们如何建造完美的沙堡吗？
让我们先从英国伯恩茅斯大学 （University of Bournemouth） 的环境科学家马修·贝内特 （Matthew Bennett） 开始讲起。2004年，贝内特受到 Teletext Holidays 公司的委托，来确定英国最适合建沙堡的海滩。不同的海滩有不同类型的沙子，所以他的工作是找出使用哪种沙子最好。
贝内特给他的学生们配备了桶子和铲子，派他们去时下英国最受欢迎的10个海滩，并教他们如何从每个海滩上收集沙子样本。当学生们把沙子带回实验室后，他的团队就把沙子弄干，倒入烧杯中，加水，然后把每个装满的容器倒置。贝尼特解释说：“然后我们在每个‘实验城堡’顶部加载重量，并记录下 （城堡） 倒塌前总的可承重量。”
研究小组发现， 建造坚固沙堡的关键是每八桶沙子混合一桶水。 这个8：1的体积比，在所有10个测试地点都是一样的，实际上，当涨潮到海水最接近海岸的时候，真实海滩的沙水体积比也大致如此。
根据贝内特的说法，这个完美的比例确保了水只会粘合沙子，而不是起润滑剂的作用。如果水太多，建筑就会流动并发生倒塌，当沙堡遇到它们的天敌——潮水时就会发生这种情况；反之，如果水太少，沙子 （建筑） 就会碎裂。
事实上，沙堆的强度取决于两个因素。第一个是单个颗粒的结构。那些棱角更大、更不规则的颗粒，会比那些经过长途运输而变得圆滑的颗粒更紧密地结合在一起——在风和波浪的作用下，这些颗粒会被磨碎。贝内特解释道， 这就是为什么含有许多微小的、有棱角的贝壳碎片的沙子，更有利于建造坚固的沙堡。 另一个更重要的因素则是含水量，越小的颗粒所能持有的水量越高。
经研究， 贝内特将位于英格兰西南部的托基 （Torquay） 称为英国最好的沙堡建造地，这要归功于他所说的 “迷人的红沙”。 紧随其后的是东约克郡的布里德灵顿 （Bridlington） ，伯恩茅斯 （Bournemouth） 、大雅茅斯 （Great Yarmouth） 和腾比 （Tenby） 并列第三。“这是一个简单但有效的实验，” 贝内特回忆道，他解释说，他仍把这次研究视为让大家理解地质学概念的一次有趣尝试。
不过，他也承认，原则上任何沙子都可以用来建造沙堡——而选择托基 （Torquay） 的红沙作为他2004年研究的 “赢家”，在很大程度上是因为它具有吸引人的美学特征。不仅如此，这些 “冠军” 沙子起源于2亿多年前，当时的英国还在一个比撒哈拉还大的沙漠之中，位于盘古大陆内陆。因此， 托基 （Torquay） 的沙子有很多细颗粒，而这些颗粒增强了它的粘聚性。
对于物理学家来说，沙堡只是一种由压实的颗粒物 （沙子） 与液体 （水或海水） 混合而成的结构。但是这些水是如何帮助沙粒粘在一起的呢？答案在于颗粒之间形成的水膜的表面张力。就像试管中的液面由于玻璃和液体之间的黏附力而在边缘弯曲一样，水在沙粒之间形成微小的 “毛细管桥”。 这些桥将沙粒拉向彼此，减小了水和空气之间的表面积，同时增大了水和被吸引的沙子之间的表面积。
现在来看，虽然最适合雕刻的沙子和水的比例可能是8：1，但事实证明，在很大范围的含水量下, 湿沙子都是稳定的——像固体一样。将沙子聚集在一起的力显然有些奇怪，这启发了德国哥廷根马克斯·普朗克动力学与自组织研究所 （Max Planck Institute for Dynamics and Self Organization） 的物理学家斯蒂芬·赫明豪斯 （Stephan Herminghaus） ，他对这一现象进行了深入研究。
他和他的团队没有研究沙子本身，而是利用了一个大小形状与沙子相似的湿玻璃珠模型。利用X射线层析显微技术 （可在不破坏物体的情况下生成数字横截面图像） ，研究者们能够生成珠子的3D图像，并检验在珠子中掺更多水会发生什么。 （随着水量的增加） ，起初连着两个分离颗粒的微型毛细管桥开始变大并融合，逐渐形成越来越复杂的结构，看起来像是一串易拉罐的拉环粘在一起 （图2） 。
图2 实验室中的沙堡 | 图源：Reprinted by permission from Springer Nature: Nature Materials 7 189 2008
为了模拟水在结合沙粒中所起的作用，由德国哥廷根马克斯·普朗克动力学与自组织研究所（Max Planck Institute for Dynamics and Self Organization）的物理学家斯蒂芬·赫明豪斯（Stephan Herminghaus）领导的团队，使用X射线层析显微技术创建了湿玻璃珠的3D图像。（a）这些珠子（黄色）的计算机模型给出了将珠子吸引在一起的3D“毛细管桥”（蓝色），这些桥在真正的沙子中产生相同的吸引作用。（b）随着颗粒间水量的增加（从左到右），形成了更多的毛细管桥（白色区域）。
随着毛细管桥的变大，它们与沙粒的接触面也变大，由于沙粒对水有吸引力，从而增强了水的结合效果。然而，与此同时，毛细管桥的凹拱变得不那么明显，导致水的负压降低。使颗粒聚集在一起的正是水的负压，因此，减小水的负压会使颗粒不那么容易聚集。
这两种效应相互制衡，也就意味着，加入更多的水时，这些实验中的 “沙子” 仍保持相同的粘性。然而，一旦水占据沙堆的15%，或沙粒之间总有效孔隙的35%，这一规律就会被打破。超过这个极限，沙堆的牢固性就开始减弱。
研究人员在2008年的论文 中指出：“液体含量对沙堆的力学性能几乎没有影响，这是由于沙堆中液体的特殊组织形成了开放结构。” 换句话说，现在我们知道了为什么建造高大的沙堡不需要太多的水：这都归功于微型的毛细血管桥，它们就像沙粒间的胶水。
但是沙堡能建多高有理论上的限制吗？2012年，荷兰阿姆斯特丹大学 （University of Amsterdam） 的物理学家丹尼尔·波恩 （Daniel Bonn） 开始和同事们研究这个问题。他们把不同数量的湿沙子倒进不同直径的塑料圆筒里，然后切掉模具，看看在倒塌之前这些圆柱能有多高。
研究小组发现，当柱子在自身重量的作用下发生弹性弯曲时，柱子便会坍塌。鉴于此，研究人员确定， 沙柱的最大可能高度与沙柱的基底半径成2/3次方的比例增加。 随手一算你会发现，要建一个高度是你朋友身高两倍的沙柱，你需要让它的半径为朋友的
倍。与此同时，他们根据湿沙弹性模量的测量，得出结论，在液体体积分数约为1%时，沙堆可达到最佳强度。
图3 最大高度 （图源：Mehdi Habibi）
由丹尼尔·波恩（Daniel Bonn）领导的荷兰阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam）的研究人员将湿砂倒入塑料圆筒中，发现沙柱的最大可能高度与其基底半径的2/3次方成正比。
不过，这个数字与贝内特用桶和铲所发现的比例不同，这也许并不奇怪，因为真正的沙堡往往不是波恩研究中的圆柱形，而是圆锥形的。毕竟，正如郑州大学的张文强去年发表的一项模拟研究 所揭示的，圆锥形的沙堡具有最高的稳定性。
当被问及有什么实用技巧可以分享给崭露头角的沙堡雕塑家时，波恩说，压实是保持稳定的关键。这就是为什么专业的沙堡建造者通常会使用一种 “重击者” 的机器机械压实，然后再在沙子上反复压踏。压实沙子有助于缩短其毛细管桥，使沙堡更加坚固。
包含多种粒度的多分散沙也很有用。虽然我们认为沙子好像仅由石英构成，但对地质学家来说，该术语指的是大小在62.5微米到2毫米之间的任何碎岩石颗粒。专业的沙堡建造者通常更喜欢用 “河沙” 来雕刻，河沙中含有更细小的粘土颗粒，其大小在0.98微米至3.9毫米之间。据波恩说，河沙中的小颗粒可以有效地利用空间，堆积在大颗粒间的空隙中，从而产生更多的毛细管桥和更坚固的结构。
换句话说， 粘土就像颗粒之间的粘合剂，即使水很少甚至没水的情况下也是如此。 但如果没有河沙，用海水也能得到类似的效果。当你的沙堡变干时，沉积在沙粒上的盐晶体会起到胶水的作用。这是在海边建沙堡的额外好处。
然而，即使附近没有海洋来保持水分，由于水蒸汽在多孔材料内部和相邻表面之间自发地凝结，沙粒之间也会形成毛细管桥。这种现象被称为“毛细凝聚”，它不仅会影响附着力，还会影响腐蚀和摩擦等各种性能。实际上，古埃及人可能早已无意中从毛细管桥中受益，他们把水倒在沙子上，这样更容易运输沉重的石制品 （图4） 。
图4 向埃及人一样浇水（图源 Sir John Gardner Wilkinson, 1854）
如果建沙堡还不能满足你的建造欲望，别担心，沙子和水还可以用来建造更复杂的建筑。阿姆斯特丹大学（University of Amsterdam）的颗粒物理学家丹尼尔·波恩（Daniel Bonn）领导的研究小组在2014年发表的一篇论文中指出，古埃及人用水来硬化沙漠中的沙子。这种坚硬的材料使得埃及人在建造金字塔和其他巨型纪念碑时，可以更容易地移动承载着重石头的雪橇。
这个想法的灵感来自一幅大约3900年前的壁画，它曾装饰在杰胡蒂霍特普（Djehutihotep）墓中的墙壁上。在公元前2050年到1780年之间，杰胡蒂霍特普是埃及中王国时期（Middle Kingdom）最具影响力的执政官（或省长）之一。壁画描绘了一个四人高的杰胡蒂霍特普巨像，被172名工人用雪橇拉着穿过沙漠。
有趣的是，壁画中，站在雪橇前面的人正往巨像即将要经过的沙子上浇水，而另外两个奴隶则在给他补充水。埃及学家一直认为这种奇怪的行为是一种仪式，但波恩和他的同事们通过实验证明，在沙子中加入一定数量的水可以形成微观的“毛细管桥”，从而使沙子变硬。
毛细管桥降低了沙子的摩擦系数，同时也防止沙子堆积在雪橇前面或让它陷入沙子里。具体来说，研究小组发现，当沙子的含水量达到5%左右时，动态摩擦系数减半。然而，含水量更高时摩擦力则会增加，当含水量为10%的时候，甚至会超过干沙的动态摩擦系数。
毛细凝聚通常用1871年英国物理学家兼数学家威廉·汤姆森 （William Thomson）（后来的开尔文勋爵） 提出的方程来描述。该方程将一些宏观属性连接起来，如压力、曲率和表面张力。不过，这一方程在微观尺度上也成立。事实上，即使在10纳米左右的尺度上，它也被证明具有惊人的准确性。
为了探究这一现象的原因，由诺贝尔奖得主、曼彻斯特大学 （University of Manchester） 物理学家安德烈·海姆 （Andre Geim） 领导的研究小组最近制出了或许是最小的毛细管。有的仅和单原子一样高，它们由原子厚度的云母和石墨层制成，层间被石墨烯细条隔开。海姆和他的团队发现，这些极小的毛细管内只能容纳一层水分子 。
通过研究这些毛细管中的冷凝，该团队意识到，即使在分子尺度上，开尔文方程仍能做出很好的定性描述——水的结构变得更加离散和分层，它的性质也会发生改变。论文的第一作者杨倩 说： “这让我很惊喜。我原以为传统物理学会在这个尺度上彻底失效，但没想到，旧的公式仍然管用。”
然而，根据研究小组的说法，定性方程与现实之间的一致性也是偶然的。环境湿度下的毛细凝聚会产生大约1000巴 （ba
参考文献
https://www.nature.com/articles/nmat2117
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1755-1315/514/2/022071/meta
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.112.175502
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2978-1
https://news.swjtu.edu.cn/ShowNews-15652-0-1.shtml
美丽的张家界有什么特色景点
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“食人族”的奇怪病症曾被列入吉尼斯世界纪录，有什么特点
在世界历史上，曾经有过一种病，被吉尼斯世界纪录列为最怪异的病。这种神秘的病的致病元凶，还“扶”两位科学家登上了诺贝尔奖的领奖台。
这是一种什么病？它的致病元凶为何有如此的威力呢？
事情还要从太平洋上的岛屿——新几内亚岛说起。
新几内亚岛
新几内亚岛是仅次于格陵兰岛的世界第二大岛屿，有许多的山地、高原。和大陆相比，世界各个岛屿（如复活节岛、加拉帕戈斯群岛乃至澳洲大陆）在很长一段历史上，都是一个封闭的世界，拥有着独特的生物、人民和文化。新几内亚岛也不例外，这座岛屿上有很多原始部落，其中一个部落尤为特殊，叫做法雷人（Fore）。
在法雷人的部落，科学家们发现了这种奇怪的病——库鲁病。
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说库鲁病奇怪，一点也不为过。当患者发病的时候，刚开始仅仅会感觉头痛，接下来就会出现震颤、有的甚至会不由自主地开始手舞足蹈、出现肌痉挛等症状，接下来整个人就会开始痴呆，神经异常，瘫痪、大小便失禁，甚至无法吃饭喝水。最终，他们会神秘地在大笑中死亡。
很多人对此非常好奇，纷纷着手研究。经过很长的时间，这个谜题终于被美国科学家盖杜谢克破解。
他从当地死人的脑组织中，取出了一点样本，注射到自己饲养的黑猩猩脑中。三年后，黑猩猩出现了走路不平衡的情况。为了尽快展开研究，他不等黑猩猩病死，而是将它们安乐死。盖杜谢克在对黑猩猩的大脑进行检查时，发现这里已经和库鲁病患者一样，遍布着斑块和海绵状孔洞。他推断，库鲁病的根源，并不是其他人所说的遗传病，而是某种病毒。
那么，如果库鲁病真的是病毒导致的，它的传染方式又是怎样的呢？
盖杜谢克继续研究后发现，库鲁病仅仅在法雷人中出现，并且只有女人和小孩会患病。而法雷人有一个令人震惊的习俗，正是破解谜题的关键——吃人。
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在法雷人部落，一直有吃人的习俗。不过，他们不是传说中的那种食人族，只是把死去亲人的大脑和内脏取出来吃（这里也科普一下，大家印象中的纯粹的食人族根本不存在，都是大航海时代西方人为了有理由屠杀土著人编出来的）。他们认为，这可以让已死之人保佑还活着的人。根据习俗，这些奇怪的“食物”，只有女人可以享用。科学家分析，这也是当地环境的自然选择造成的结果，岛屿封闭，野生动物被土著人吃得差不多了，所以只能靠死人的身体来补充宝贵的蛋白质。
吃人和库鲁病，似乎有着密不可分的关系。
问题在于，库鲁病不仅仅女性会得，小孩子也可能患病。如果真的是通过吃人才能传染，为何小孩子会患病呢？
在盖杜谢克不断追问之下，一些法雷人终于承认，为了自己孩子的营养均衡和补充，她们会把人类的精髓——大脑偷偷留给自己的孩子吃。
这个问题说得通了，还有一个问题比较棘手：盖杜谢克是20世纪60年代来从事这项研究的，可是在50年代，法雷人已经在传教士们的劝说下，放弃了这个习俗，为何依然有新的患者出现呢？
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原来，库鲁病的潜伏期比较长，短则3年，最长甚至可以达到几十年。后来的法雷人中库鲁病发病率越来越低以至于完全消失，也佐证了这个猜测。
凭借着对库鲁病的研究，盖杜谢克获得了1976年的诺贝尔生理及医学奖。
可是，又有新的问题出现了：显然不是所有的法雷人都在吃了死人大脑后患病，为何有的人可以幸存呢？科学家研究发现，原来，库鲁病是否会侵蚀一个人，和这个人的基因有关。有些人体内有特殊的基因，可以抵抗这个疾病。
好奇的科学家想：在世界各地的人类，应该也像法雷人一样，有的具备这种基因，有的不具备这种基因吧？可当他们研究后发现：反倒是没有基因的人是极少数，全世界大部分人都有抵抗库鲁病的基因！
这就奇怪了，为何这种基因在全世界如此“普及”呢？
科学家推测，或许在远古时期，我们的祖先都有过吃人的经历。当然，这种吃人也不是所谓食人族那种不讲道理就开始，大概也是因为饥饿而不得不吃（显然，至少在我国历史上，“人相食”这种事在史书上非常常见）。而我们的祖先在吃了人之后，有的人或许会因为库鲁病或者其他同源的病而死去，而具备抵抗力的人活了下来，繁衍至今。也就是说，现代人的祖先可能不是没吃过人，只是有强大的基因保护自己不因此而死亡。
国家博物馆讲解员河森堡有一个有趣的说法：这么说来，其实我们可能都是“食人魔”的后代。因此，生活中遇到再多不如意的事，我们也不应该担心、忧虑。连“吃人”、“恐怖疾病”的时代我们都经历过了，还有什么不能经历的呢？
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话说回来，库鲁病的确是不再出现了，其致病元凶却并没有被根除。未来，它将进入更多生物体内，导致各种奇怪的病症，继续影响着全世界人类的健康和安全。
为什么我12年没洗过澡但还是很健康啥皮肤病没有
没有洗过澡就说明你的皮肤其实有这种自洁的功能，而且有些时候可能你应该也有保养吧，而且健康的话或者说皮肤变质的，可能跟细菌有关系。