為什麼沙堡能粘在一起 - 《華爾街日報》

沙粒的大小和形狀決定了沙灘堡壘的最終形態。圖片來源：託尼·加西亞/蓋蒂圖片社物理學家海倫·切爾斯基揭示日常現象背後的複雜科學。閲讀更多專欄。

英國海濱體驗充滿傳統元素：色彩明快的海灘小屋、軟冰淇淋、必須嚴防海鷗覬覦的炸魚薯條，當然還有製作沙堡的水桶和鏟子。雖然吉尼斯世界紀錄最高的沙堡高達69英尺，配有塔樓和海洋生物裝飾，但大多數人發現自己的作品即使只有沙灘球大小，也會很快坍塌開裂。那麼，優質沙堡的秘訣是什麼？

只需三種海灘上隨處可見的材料：沙子、水和空氣。完全乾燥或過度濕潤的沙子會像液體般流動，但在特定濕度下會形成類似固體的關鍵混合物。要理解原理，我們需要放大觀察每粒沙子周圍的微觀世界。

水分子間具有極強的親和力，因此在潮濕沙粒中，水分會聚集在沙粒接觸點。這些微小水滴在沙粒間形成橋樑——這至關重要，因為其餘空間充滿空氣。水與空氣交界處的表面張力使這些"水橋"中部收縮，形成高度彎曲的界面，將兩側沙粒緊緊拉攏。當你抓起一把濕沙捏成球時，正是無數這樣的微觀水橋讓沙團保持形狀。

如果加入過多水分，沙粒間的橋樑會開始融合，水與空氣接觸的表面積隨之減少。一旦水分佔據超過約三分之一的空間，水就能在沙粒間自由流動；此時它起到的是潤滑劑而非粘合劑的作用，沙粒便開始相互滑動。但只要含水量低於三分之一，即使水分比例有所波動，沙堡仍能保持結構穩固。

沙質類型同樣關鍵。稜角分明的沙粒能形成更好的咬合結構，有助於濕沙維持形態。海灘上的沙粒因潮汐反覆沖刷往往圓潤光滑，因此專業沙雕師常採用河沙——因其形成時間較短仍保留着粗糙稜角。混入碎貝殼碎片也能增強結構穩定性。

顆粒大小亦是重要因素。多數海灘沙粒直徑在0.002英寸至0.1英寸之間。不同粒徑的混合能讓小顆粒填充大顆粒間的空隙，為水橋結構提供更多連接點從而增強整體強度。若想進一步提升性能，可效仿專業人士摻入10-15%的黏土（其顆粒直徑不足萬分之一英寸）。

在無法控制沙質與含水量的海灘上，至少可以通過擠壓或拍打來壓實沙體。這能迫使沙粒緊密嵌合，縮短水橋距離並增強其連接強度。

一座裝飾精美的專業沙堡看起來可能像魔法，但這一切都是由物理學原理支撐的。就像科學的其他領域一樣，秘訣在於實驗，而炎熱晴朗的日子正是嘗試的絕佳時機。暑假快樂！

刊登於2023年6月10日印刷版，標題為《沙堡為何能粘在一起》。