古籍中对发生在900多年前的这样一件事有过这样的记载:奉宋朝神宗皇帝之命调遣,一支队伍在安南的路上行进。
一天,当队伍正准备进入一片沙滩之时,前面一个士兵的脚忽然陷入了沙地中,沙子逐渐将他的大腿、腹部、胸部……一点点淹没,他奋力向上挣扎,可就是爬不上来。看到这样的情景,后面的一个士兵准备伸手去拉他同伴。没想到,同伴不但未被拉上来,反而把他自己也陷了下去。这样,队伍就停滞不前。骑着战马的军官想骑马过去看个究竟,不料连马带人也一起陷了进去……
其实,这支队伍遇到的,就是令人恐怖的流沙。可以说,流沙可谓大自然所设计出的最巧妙机关。公元1692年,在牙买加的罗伊尔港口,就曾有因为地震造成土壤液化而形成的流沙情况的发生,最后酿成了1/3的城市消失、2000人丧生的惨剧。就连英国的北部海、阿拉斯加峡湾等地,看似美丽而平静,但也曾有流沙陷人的事件发生过。
然而,大部分人一般都未真正见过流沙,更没有亲见他人陷入流沙甚至亲历过这种可怕的场景。人们对于流沙的印象,大多是来自于各种影片。在电影中,流沙仿佛一个无底洞,能将人吸入,一旦身陷其中,便无法自拔,同伴只能眼睁睁地看着受困者顷刻间被沙子吞噬。
流沙陷人的秘密
人们对于流沙的形成,起初以为流沙构成于滚圆度较好的圆型粒沙,沙粒间能互相辗转滚动,因此当有人踏在上面时,因受重力作用,滚动的沙粒便转动着“让路”,导致人的下陷;而普通的沙地是由棱角状的沙子构成的,这种沙子会互相嵌合,形成结实的地面,人站在上面也不会陷下去。
这种观点似乎有些道理。然而,当科学家把两种沙放在显微镜下仔细对比时,发现流沙和普通沙子一样,也是由棱角状沙粒构成的。
那么,会不会是因为沙粒的表面有一层润滑液之类的东西呢?有人提出了这个问题。如果沙粒表面真有润滑液存在,那么沙粒之间的摩擦力较小,自然放置其上的物体也就容易下陷。可是,人们在沙粒表面并没有找到所谓的润滑液。
后来,一位地质学家揭开了这个秘密。
著名地质学教授史密斯博士来到一个有流沙分布的地区,发现流沙与普通的沙地并无二致。他捡起一块石头随手扔出去,落在流沙上面的石头转瞬间就不见了。史密斯小心翼地将一些流沙区的沙子取回,盛于桶中,并让沙子保持原有的湿度,然后沙子上面放了一块儿石子,但是石子并未沉下去。因此博士认为,流沙陷阱的形成与沙子的湿度并没有关系。
于是史密斯博士又一次来到流沙分布地区,向当地百姓询问、了解有关流沙的情况。当地的百姓告诉他,流沙并不是总陷人的,人们在每年的8月份,甚至可以在流沙上跳舞而无任何危险。
在这里,8月份是干旱季节,而流沙不陷人,那么看来还是水在作怪了。于是,史密斯就用一个大桶装满了沙子,在桶的上下部分别装置了几个水管,使水既能从上部输入,从下面流出,又能从下面流入,从上部流出;然后又制作了一个与人体比重相同的玩具人放在桶内的沙子上面。
史密斯经过几次不同的实验发现:当沙桶里的沙子呈干燥状态时,玩具人就能在沙子上站立或躺卧;当沙子湿润时,玩具人也并不下沉;当水从上面注入时,玩具人也不下沉;而当水从下面注入,向上透过沙层流出时,玩具人就马上下沉了;而且玩具人的比重越大,沙粒越细,水流越强,玩具人下沉的速度就越快。
史密斯博士由此得出结论:沙土内的水流上涌时,就会形成流沙。水流的上冲力会使沙粒相互离散,不再互相叠接,而是被水托着,呈半飘浮状态,从而导致比重大于水的物体下沉。
据此,流沙的秘密也被人揭开了:流沙陷人,是因为地下水涌入沙内引起的。原来,上流的水冲力可使沙粒互相散开,沙粒不再互相叠接,而是被水托着,呈半漂浮状态。在这种情况下,物体进入沙面上,就会像在水中一样向下沉陷。
通过研究还发现,陷入流沙后的物体,下陷速度取决于物体自身的密度。流沙的密度一般是2克/毫升,而人的密度是1克/毫升。在这种情况下,人身体沉没于流沙之中并不会有灭顶之灾,下陷往往会止于腰部。研究者还发现,即使是一些密度大于流沙很多的物体,也能浮于流沙之上。研究人员在实验中将一个密度为2.7克/毫升的铝盆放在流沙的顶部,尽管铝盆密度大于流沙,但在流沙浮力和沙面张力的作用影响之下,铝盆仍能平静地呆在流沙的表面。可是当科学家轻轻摇晃这个铝制容器时,情况就不同了,容器稍微有一点下陷。当科学家摇晃的力度再加大时,这个容器就慢慢地沉入沙底了。
流沙的巨大力量
从撒哈拉大沙漠中取得的由沙子和盐水混合构成的流沙样品,呈半固体状态,这些颗粒松散地堆积在一起。沙粒堆积起来,使其看似有了稳定的表面,但即使是承受很小的压力,流沙的整体框架也会立即坍塌。浓厚的“沙浆”堆积在底层,它能粘住所有的物体,使其动弹不得;而更为危险的是流沙中的超细颗粒——它使流沙具有一种巨大的夹紧力,足以致人于死地。
由此,研究者通过分析认为,陷入流沙中的人一般来说是无法动弹的。因为沙子在密度增加之后,会粘在掉进流沙里的人的下半部身体上,对人的身体会造成很大的压力,让人很难使出力来。即使是大力士,要想一下子将受困者从流沙中拖出来,也是很困难的。
研究人员计算,如果拖出受困者的一只以1厘米/秒的速度进行的话,就需要约10万牛顿的力,大约等同于举起一部中型汽车所需要的力量。所以除非有吊车帮忙,否则很难一下子把掉入流沙内的人拉出来。研究还指出,按照这种力量的计算,如果生拉硬拽的话,那么在流沙“松手”之前,人的身体就已经被强大的力量扯断了。这种行为造成的危险,远高于让人暂时停在流沙当中。
小知识——陷入流沙如何自救
实际上,和一般的沙子相比,绝大多数流沙与其区别并不大,并不像我们在电影看到得那么可怕。在原理上,它只是在沙子中渗入了水,因为沙粒之间的摩擦力变小,于是形成了半液态、难以承重的沙水混合物。流沙只有一种状况会把人淹死,那就是当头部先掉入沙中的时候,然而以这种方式掉入流沙有极小的概率。人一旦不小心陷在流沙中,一般仅会感到胸部有些压力,呼吸较困难,但并不会出现生命危险。而受困者最可怕的敌人,是流沙附近上涨的潮水。
其实,我们还是有办法来摆脱流沙的,那就是受困的人应该轻柔地移动两只脚,尽量地让水和沙子渗入挤出来的真空区域,这样就能使身体所受的压力得以缓解,同时让沙子慢慢变得松散。另外,还要努力尽量分开四肢,因为只有身体接触沙子的表面积越大,得到的浮力才会越大。只要有足够耐心,动作足够轻缓,就能慢慢地从流沙从脱身。
在流体力学中,流沙属于膨胀性流体,亦即剪力愈大的话,流沙用来抵御剪切运动的粘性也就愈大。这也是为什么要用吊车才能把人拉出来的原理。就是因为随着粘性的增加,流沙阻碍人向上运动的力也就增加了。