潮濕的沙子有助於埃及人建築金字塔嗎？

建築古埃及金字塔的人可能向沙漠的沙子中注水，以便於拖動巨大的雪橇。德國科學家ChristianWagner 和他在荷蘭、伊朗及法國的同事們，通過研究不同種類的沙中摩擦力與水的含量之間的關係得到了上述結論。他們發現，埃及沙漠中的沙子在弄濕後變得特別滑溜，這一現象可能被用來搬運建築金字塔的巨石。

Christian Wagner 的研究工作是受到古埃及的一幅壁畫的啟發(見圖1)。壁畫上畫著約公元前1800 年前一座巨大的雕像在沙地上用雪橇托運。這幅畫的一些細節一直使研究埃及的史學家們困惑不解：一個人好像在向雪橇前面的沙地上潑水，而其他人在給他送水。

一些歷史學家認為，潑水這一動作可能是某種儀式，而Wagner 等懷疑這是為了減小雪橇與沙地之間的摩擦力而采取的措施。這種想法受到2007 年Wagner 等的工作的啟示，那項研究工作表明，只需少量的水用作潤滑劑就可減少在管道中流動的沙子的摩擦力。

為了檢驗他們的理論，研究者們測量了在不同種類的沙子上拖動的雪橇所感受到的摩擦力。研究團隊所用的雪橇由PVC 材料製成，面積為11×7.5 cm2，邊緣做成圓角以模仿古代的雪橇。雪橇上裝有重物，使其產生每平方米250 kg 的重力，這與埃及雪橇裝滿時一樣。用一種拉力檢測器來拉雪橇，並測量拖動雪橇時所需要的力。

研究人員可以根據測量結果計算動摩擦系數。他們發現，向沙子上灑水確實降低了摩擦，但並不是由於水使沙子能更自由地移動，其實水起著相反的作用。研究人員很快意識到沙子在雪橇前堆積起來是摩擦力的主要來源。如果沙子是乾燥的或略有些潮濕，那麽這些沙子被雪橇推動時很容易堆積起來，使雪橇很難拉動。但是在沙子上加些水之後，沙粒便開始粘在一起，形成一種像水泥一樣的堅硬的表面，使得雪橇可以更容易在上面滑過。在2007 年Wagner 的研究中，曾觀察到過這種沙粒之間的粘連。

在對某一種沙子進行的實驗中，當沙中的水含量達到約5% 時，動摩擦系數減小到一半。這種沙子與在埃及的沙子類似，顆粒大小不一。這就意味著將沙子弄濕為古埃及建築者們提供了便利。此項研究結果還表明，古埃及金字塔的建設者們很幸運， Wagner 等用含有大小相同的沙粒的沙子進行實驗時，發現摩擦力的減小沒有類似埃及的沙子那樣明顯。這可能是因為沙粒尺度分散的沙子比沙粒大小單一的沙子可以聚集得更緊湊。另一項重要的發現是添加更多的水時，摩擦力又會增加，水含量達到10%的沙子的摩擦力超過乾燥沙子的摩擦力。其中的原因正在研究中。有關論文發表在Phys. Rev. Lett.，2014，112：175502。

(周書華 編譯自Physics World News，6 May 2014)

本文選自《物理》2019年第4期