沙崩现象的原理

沙崩现象的原理

2016-11-09 作者: xuzhiping 浏览: 4994 次

摘要: 夏天到了,许多人热衷于去海滩度假。孩童欢欢喜喜地拿出他们的小水桶和铲子,坐在临水处,筑起小沙堆,然后这些沙堆愈来愈高,最后轰然一声,沙堆崩塌,变成平地。孩子再接再厉,又筑起更多沙堆,直到它们同样塌陷。这是个不可多得的好机会,让老爸亲自出手帮小孩上一堂富有教育意...

夏天到了,许多人热衷于去海滩度假。孩童欢欢喜喜地拿出他们的小水桶和铲子,坐在临水处,筑起小沙堆,然后这些沙堆愈来愈高,最后轰然一声,沙堆崩塌,变成平地。孩子再接再厉,又筑起更多沙堆,直到它们同样塌陷。这是个不可多得的好机会,让老爸亲自出手帮小孩上一堂富有教育意义的课。老爸嘟嚷着说,只要孩子肯注意听他说的话,就能筑出更高的沙堡。但是他可能不知道,无论多么小心,沙崩总是会让沙堆四分五裂,即使沙粒从指缝间流过的速度再缓慢也没用。令人讶异的是,崩塌总是在沙堆达到一定高度时才会发生。

隐藏在这些愉快夏日活动背后的,只不过是物理学的定律。每颗沙粒都有惯性,作用在沙粒上的外力则有重力及摩擦力。但这些尚不足以解释为什么会发生沙崩,必须全面观察,才能了解沙堆的现象。

让我们先把焦点放在微观的层面,审视桌面上一颗颗晶莹剔透的沙粒。这些颗粒会试图到达最低的表面,以维持最低的能量状态。如果用液体做实验,液体就会流淌到整个桌面,最后沿着桌缘流下。然而,沙粒却会因摩擦力而彼此聚在一起。在沙堆相对较矮时,每颗新添的沙粒都可能停留在当初它落到沙堆上时的那个点处。降落点可能是一颗沙粒的上方,那粒沙又在另一颗沙粒的上方。一旦沙粒堆栈了若干层之后,新增的沙粒就可能滑到侧边,说不定就会引发沙崩。

小沙崩可以确保沙堆的陡峭程度不会超过一定限度,大沙崩也一样。科学家的实验发现,沙崩的强度可以用1950年代古腾贝格和里希特提出的定律解释,那个定律描述的是地震发生的频率:里氏6级规模地震发生的次数,只有5级地震的1/10。

沙崩现象是所谓自组临界性的一个例子。这个名词是1988年丹麦物理学家巴克提出的。巴克、汤超和维森菲尔德共问发现,许多相似成分组成的系统,会自动地达到某种特定状态,然后发生变化。在沙堆的例子中,临界状态由侧面的斜度决定。

巴克及其同事的概念是建立在一般通用的基础上的,因此他们的结论并不限于沙堆。不同的系统或事件都可以用相同的定律来解释,例如森林大火、交通阻塞、股市崩盘,以及进化过程。

以股市为例,投资人,姑且称之为华尔太太,决定在股票价格到达某个水平时出售持股。施特里特先生是华尔太太的同事,老是跟随华尔太太行动,他决定要跟着卖出手中的持股。其他人则可能追随着华尔和施特里特,从而引发更多投资人抛售股票。因此,少数投资人的行为的确能导致卖潮,并引发股市崩盘。事实上,统计学家已经发现,无论大小,股市崩盘发生的频率和摧毁沙堆的沙崩相当类似。

另一个自组临界性的例子是交通阻塞,在海边轻松度假之前可,必须先忍受到达海边的路程。车流速度缓慢但稳定,突然间,前面一个司机踩了刹车,如果汽车与汽车之间彼此跟随的距离不是太近,什么事也不会发生。但就像一粒沙也可能造成沙崩一样,如果车流量大,密度又高,一位司机的小小刹车动作就可能引起可怕的交通阻塞。按照统计学的说法,受阻塞的车辆数相当于沙崩的规模。

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