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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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流沙能吞没活人吗?  

2012-06-06 13:51:04|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:水一瓢

流沙是大众电影和小说最喜欢的桥段之一。据统计,20世纪60年代有3%的电影里都有流沙或者淤泥活生生吞没人的桥段,此后的不少影视音乐作品里偶有流沙出镜。画面上,流沙那魔鬼般可怕的吸力和遇难者那苍白无力的反抗所呈现的强烈对比,确实足够震撼人心。但是在现实中,这样生吞活人的流沙到底存不存在?它们又是否如编剧和作家笔下描述的那么可怕呢?

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【电影《可可西里》海报,巡山队员刘栋在给追踪盗猎者的大部队输送给养的途中陷入流沙,生生地被流沙夺去生命的画面。】

2005年,著名学术期刊《自然》杂志的一篇论文——《流沙在压力下的液化》[1]似乎为人们找到了答案。来自荷兰阿姆斯特丹和法国巴黎的四位科学家试图在实验室里重新“发明”流沙。他们研究了从伊朗沙漠里带来的流沙样本并且进行了力学和流变学的研究。他们发现这些沙子由细沙、粘土以及咸水组成。流变学实验发现这些样本对于压力极为敏感:在静止情况下,这些沙子的粘性像粘土一样随时间慢慢增长;一旦压力超过了某个临界值,这些沙子的结构会在咸水盐分的干扰下彻底失去稳定性,于是其粘性发生几个数量级的剧减而液化,同时沙子和水也会开始分离;分离的沙子和水分别形成局部沙土富含区和液体富含区,前者内部的粘性非常巨大。观察到这些现象,他们进一步推测,如果人和动物经过这种流沙顶部产生一个超过某个临界值的压力时,流沙会顷刻间迅速液化——人或者动物就会像突然踩入水池中一般落入流沙。如果人或者动物失去冷静拼命挣扎的话,流沙受到的压力就会进一步增大从而加速了本来就在进行的水沙的分离——沙土富含区域的出现使流沙局部粘度剧烈增长,于是,陷入流沙的人和动物就像掉入一种特制的越搅拌越粘稠的浆糊中一样,越努力陷得越深粘得越牢固。据估计,这个时候抽出一条腿的力气完全可以提起一辆小汽车,所以直接拖拽深陷流沙中的人们很有可能把人撕碎了也不可能成功营救他们。由此看来,流沙的确非常可怕,而且在流沙中起舞的确不是什么好主意。

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【流沙的形成:地下水对沙粒的液化作用。图片来自:howstuffworks.com】

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【水流、干沙和流沙的位置关系,图片来自:http://informasi-budidaya.blogspot.com】

为了验证人和动物陷入流沙以后是否会有“没顶”之灾,这些科学家们又进行了沉没实验。他们在流沙表面放置了一枚直径四毫米的小球。尽管这种小球的密度大于流沙的平均密度,但是它仍然像浮球一样坚挺的浮在流沙表面。为了模拟人和动物挣扎导致流沙运动的过程,他们给流沙样品引入了震动,并且发现一旦震动的幅度超过了某个临界值,小球就会快速的沉入流沙底部。纵观整个实验,他们总结道:因为人体密度小于流沙平均密度,更远远小于铝球密度,所以人体可以“漂浮”在流沙之上。即使最坏的情况下,人畜也只会半没在流沙中,没有“灭顶之灾”。我们似乎可以松口气,以后去野外游玩再也不怕这些流沙了吧!

这篇文章发表在科学的圣殿——《自然》杂志上,所以它备受追捧。随之而来的一系列科普文章和科普电视节目,例如美国发现频道的流言终结者,都针对流沙进行了所谓的“流言终结”。似乎又一个大团圆结局完美呈现在了观众眼前:首先无脑的好莱坞电影臆造出了一种可怕的灾难;接着,电影公司利用人们的恐惧心里赚足了眼球跟荷包;然而,严肃的科学家们排除干扰独立地发现了自然规律;最后,伟大的科学传播者们发现了科学家们的研究,帮助大众戳破了又一个耸人听闻的谣言。

且慢!2009年的一篇论文[2]却给这个圆满的故事掀起了新一番的波澜。

来自瑞士苏黎世理工和巴西赛阿拉联邦大学的六位科学家考察了巴西东北部一处国家公园的流沙地,并在实地进行了测量和实验。他们发现,一旦陷入该地区的流沙,无论人还是动物都会迅速沉入流沙底部。幸运的是,他们进行观测的流沙只有一米深,尚不会没顶(小朋友们要注意啦!)。并且在该地区,他们也没有发现超过一米深的流沙陷阱。但是他们总结说,一旦形成两米以上的流沙池,被流沙活活吞噬并非天方夜谭。

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【巴西拉克依斯马拉赫塞斯(Lencois Maranhenses)国家公园的沙丘,雨季时形成的水湾是流沙的多发地,瑞士科学家对流沙的实地研究就在此进行。图片来自:[2]】

他们针对《自然》杂志文章的沉没实验进行了进一步辩驳:首先,咸水并非流沙形成的一个关键因素,因为他们考察的地区沙土和淡水的混合物也能形成流沙。其次,流沙在本地形成了一种精确的相互平衡的结构;如果对流沙其进行扰动,它的结构就会遭到破坏;所以他们质疑《自然》一文的实验方法——实验室重现流沙。他们解释道,因为我们对流沙的精确结构知之甚少,甚至于定义都非常模糊,而且流沙本身没有记忆性,一旦被干扰,样本就很难恢复原状。换句话说,流沙仿佛一种一次性魔法。用过以后,它的魔力就会损失殆尽。所以研究实验室中挖掘出来的流沙而并非研究在当地自然形成的流沙,很有可能在研究一种失去魔力的普通沙土,并非真的流沙。

即便《自然》杂志一文受到了实地考察结果的挑战,但是它还不失为流沙研究的一座里程碑。该文对流沙流变学的机理也堪称深刻。目前的研究结果已经揭示了流沙的可怕面目,为如何从流沙逃生和如何营救流沙遇难者提供了依据——一旦不幸落入流沙,人们首先要保持冷静,并且缓慢地移动身体,让身体和流沙表面形成一定角度从而增大接触面积降低压强避免沙土进一步液化从而伺机逃生[3];如果有条件,营救者应该为流沙进行高压注水,稀释沙土富含区从而阻止沙土分离以降低流沙的粘度,然后再设法吊起落难者[4]

结论: 实地考察流沙的结果显示,“人体密度小于流沙平均密度,所以人不会被流沙吞没,甚至可以“漂浮”在流沙之上”的说法并不正确。不过,目前科学界对流沙的精确结构知之甚少,不同的流沙可能也会出现不同的结果。认识到流沙的威力,在面对的时候保持冷静,采取正确的应对措施才是最重要的。

铛铛铛,真人教学来了,贝爷示范如何从流沙中自救。(读者绝对不要自行模仿)

对付粘度惊人的流沙,需要注水才能得救((读者绝对不要自行模仿)。

参考资料

[1]Khaldoun A., Eiser E., Wegdam G. H.& Daniel Bonn Rheology: Liquefaction of quicksand under stress.Nature 437, 635 (29 September 2005)

[2]Dirk Kadau, Hans J Herrmann, José S Andrade, Asc?nio D Araújo, Luiz J C Bezerra, Luis P Maia Living quicksand. Granular Matter Volume 11, Number 1 (2009), 67-71.

[3]荒野求生——撒哈拉流沙

[4]BBC节目——死亡流沙

 

原文发表于果壳网谣言粉碎机”主题站《流沙能吞没活人吗?

流沙能吞没活人吗? - 科学松鼠会 - 科学松鼠会
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