潮湿的沙子有助于埃及人建筑金字塔吗？

2019 年 5 月 13 日 中国物理学会期刊网

建筑古埃及金字塔的人可能向沙漠的沙子中注水，以便于拖动巨大的雪橇。德国科学家ChristianWagner 和他在荷兰、伊朗及法国的同事们，通过研究不同种类的沙中摩擦力与水的含量之间的关系得到了上述结论。他们发现，埃及沙漠中的沙子在弄湿后变得特别滑溜，这一现象可能被用来搬运建筑金字塔的巨石。

图1 古埃及人用雪橇拖运雕像(复制品)

Christian Wagner 的研究工作是受到古埃及的一幅壁画的启发(见图1)。壁画上画着约公元前1800 年前一座巨大的雕像在沙地上用雪橇托运。这幅画的一些细节一直使研究埃及的史学家们困惑不解：一个人好像在向雪橇前面的沙地上泼水，而其他人在给他送水。

一些历史学家认为，泼水这一动作可能是某种仪式，而Wagner 等怀疑这是为了减小雪橇与沙地之间的摩擦力而采取的措施。这种想法受到2007 年Wagner 等的工作的启示，那项研究工作表明，只需少量的水用作润滑剂就可减少在管道中流动的沙子的摩擦力。

为了检验他们的理论，研究者们测量了在不同种类的沙子上拖动的雪橇所感受到的摩擦力。研究团队所用的雪橇由PVC 材料制成，面积为11×7.5 cm2，边缘做成圆角以模仿古代的雪橇。雪橇上装有重物，使其产生每平方米250 kg 的重力，这与埃及雪橇装满时一样。用一种拉力检测器来拉雪橇，并测量拖动雪橇时所需要的力。

研究人员可以根据测量结果计算动摩擦系数。他们发现，向沙子上洒水确实降低了摩擦，但并不是由于水使沙子能更自由地移动，其实水起着相反的作用。研究人员很快意识到沙子在雪橇前堆积起来是摩擦力的主要来源。如果沙子是干燥的或略有些潮湿，那么这些沙子被雪橇推动时很容易堆积起来，使雪橇很难拉动。但是在沙子上加些水之后，沙粒便开始粘在一起，形成一种像水泥一样的坚硬的表面，使得雪橇可以更容易在上面滑过。在2007 年Wagner 的研究中，曾观察到过这种沙粒之间的粘连。

在对某一种沙子进行的实验中，当沙中的水含量达到约5% 时，动摩擦系数减小到一半。这种沙子与在埃及的沙子类似，颗粒大小不一。这就意味着将沙子弄湿为古埃及建筑者们提供了便利。此项研究结果还表明，古埃及金字塔的建设者们很幸运， Wagner 等用含有大小相同的沙粒的沙子进行实验时，发现摩擦力的减小没有类似埃及的沙子那样明显。这可能是因为沙粒尺度分散的沙子比沙粒大小单一的沙子可以聚集得更紧凑。另一项重要的发现是添加更多的水时，摩擦力又会增加，水含量达到10%的沙子的摩擦力超过干燥沙子的摩擦力。其中的原因正在研究中。有关论文发表在Phys. Rev. Lett.，2014，112：175502。

(周书华编译自Physics World News，6 May 2014)

本文选自《物理》2019年第4期

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