建造沙堡是在海滩上度假的小乐趣之一，但你真的了解这些结构背后的科学吗？拿上桶子和铲子，让我们一起去探索沙子科学的奇妙世界。
湛蓝的天空下，一座无与伦比的碉堡高耸入天。这一建筑的中心呈金字塔状，在环绕其周围的城垛和扶壁之间，支出了几十个形状和设计各异的尖塔和塔楼。地基周围有一道加固墙，后面有一头警觉的巨龙浮在水上，还有一座灯塔矗立在旁。
不不，别激动，我们说的可不是《物理世界》新总部的设计，而是一座最近打破了吉尼斯世界纪录的巨大雕塑——有史以来最高的沙堡。这座宽32米、高21.16米的城堡由荷兰艺术家威尔弗雷德·斯蒂耶和他的30多名雕塑家团队用4860吨沙子建造而成。在一个精致的木制脚手架的辅助下，这座城堡于2021年7月，在北日德兰半岛的丹麦海滨村庄布洛克胡斯建成。
但和沙子打交道并不像看起来那么容易。在斯蒂耶和他的团队成功之前，世界上最高的沙堡由另一个荷兰沙雕家托马斯·邓根在德国海滨度假胜地宾兹建造而成，其高度为17.65米。邓根曾参与创造了世界上最长的沙雕，也在一小时内建造过数量最多的沙堡，实在可谓玩沙达人。然而，邓根之前两次打破最高沙堡纪录的尝试都失败了，其中一座建筑在完工前几天倒塌了，另一座的建造则被一群在建筑工地上筑巢的保护动物岸燕打断。
科学能告诉我们如何建造完美的沙堡吗？让我们先从英国伯恩茅斯大学的环境科学家马修·贝内特开始讲起。2004年，贝内特受到Teletext Holidays公司的委托，来确定英国最适合建沙堡的海滩。不同的海滩有不同类型的沙子，所以他的工作是找出使用哪种沙子最好。贝内特给他的学生们配备了桶子和铲子，派他们去时下英国最受欢迎的10个海滩，并教他们如何从每个海滩上收集沙子样本。
当学生们把沙子带回实验室后，他的团队就把沙子弄干，倒入烧杯中，加水，然后把每个装满的容器倒置。贝尼特解释说：“然后我们在每个‘实验城堡’顶部加载重量，并记录下（城堡）倒塌前总的可承重量。”研究小组发现，建造坚固沙堡的关键是每八桶沙子混合一桶水。这个8：1的体积比，在所有10个测试地点都是一样的，实际上，当涨潮到海水最接近海岸的时候，真实海滩的沙水体积比也大致如此。
根据贝内特的说法，这个完美的比例确保了水只会粘合沙子，而不是起润滑剂的作用。如果水太多，建筑就会流动并发生倒塌，当沙堡遇到它们的天敌——潮水时就会发生这种情况；反之，如果水太少，沙子（建筑）就会碎裂。事实上，沙堆的强度取决于两个因素。第一个是单个颗粒的结构。那些棱角更大、更不规则的颗粒，会比那些经过长途运输而变得圆滑的颗粒更紧密地结合在一起——在风和波浪的作用下，这些颗粒会被磨碎。
贝内特解释道，这就是为什么含有许多微小的、有棱角的贝壳碎片的沙子，更有利于建造坚固的沙堡。另一个更重要的因素则是含水量，越小的颗粒所能持有的水量越高。
对于物理学家来说，沙堡只是一种由压实的颗粒物（沙子）与液体（水或海水）混合而成的结构。但是这些水是如何帮助沙粒粘在一起的呢？答案在于颗粒之间形成的水膜的表面张力。
就像试管中的液面由于玻璃和液体之间的黏附力而在边缘弯曲一样，水在沙粒之间形成微小的“毛细管桥”。这些桥将沙粒拉向彼此，减小了水和空气之间的表面积，同时增大了水和被吸引的沙子之间的表面积。现在来看，虽然最适合雕刻的沙子和水的比例可能是8：1，但事实证明，在很大范围的含水量下,湿沙子都是稳定的——像固体一样。
将沙子聚集在一起的力显然有些奇怪，这启发了德国哥廷根马克斯·普朗克动力学与自组织研究所的物理学家斯蒂芬·赫明豪斯，他对这一现象进行了深入研究。
但是沙堡能建多高有理论上的限制吗？2012年，荷兰阿姆斯特丹大学的物理学家丹尼尔·波恩开始和同事们研究这个问题。他们把不同数量的湿沙子倒进不同直径的塑料圆筒里，然后切掉模具，看看在倒塌之前这些圆柱能有多高。
研究小组发现，当柱子在自身重量的作用下发生弹性弯曲时，柱子便会坍塌。鉴于此，研究人员确定，沙柱的最大可能高度与沙柱的基底半径成2/3次方的比例增加。与此同时，他们根据湿沙弹性模量的测量，得出结论，在液体体积分数约为1%时，沙堆可达到最佳强度。
不过，这个数字与贝内特用桶和铲所发现的比例不同，这也许并不奇怪，因为真正的沙堡往往不是波恩研究中的圆柱形，而是圆锥形的。
毕竟，正如郑州大学的张文强去年发表的一项模拟研究所揭示的，圆锥形的沙堡具有最高的稳定性。当被问及有什么实用技巧可以分享给崭露头角的沙堡雕塑家时，波恩说，压实是保持稳定的关键。这就是为什么专业的沙堡建造者通常会使用一种“重击者”的机器机械压实，然后再在沙子上反复压踏。压实沙子有助于缩短其毛细管桥，使沙堡更加坚固。
然而，即使附近没有海洋来保持水分，由于水蒸汽在多孔材料内部和相邻表面之间自发地凝结，沙粒之间也会形成毛细管桥。这种现象被称为“毛细凝聚”，它不仅会影响附着力，还会影响腐蚀和摩擦等各种性能。实际上，古埃及人可能早已无意中从毛细管桥中受益，他们把水倒在沙子上，这样更容易运输沉重的石制品。
研究沙子的物理性质以及将其聚集在一起的毛细力，不仅仅是为了建造最好的沙堡。
例如，赫明豪斯和他的团队开发的、研究玻璃珠的成像技术可以更广泛地应用于颗粒-液体-空气界面。因此，这些研究不只是在海边建沙堡有用，还有很多实际的应用——比如从阻止粉末结块到提高我们预防山体滑坡的能力。明确湿砂的力学性能对施工工作也有好处。毕竟，大多数公路、铁路、房屋和建筑都是建在沙土上的，但如果想让这些结构持久耐用，就必须保持稳定。水可以加固沙桩，不过，有助稳定性的同时，也可能有降低压实度的危险。
所以，先别急着奔向沙滩，让我们先来复习一下要点。要想建一个真正令人叹为观止的沙堡：最好选一个有大量细沙的地方。从涨潮点周围取湿沙子，这样你就能得到理想的8：1的沙水混合物。压实湿沙以提高稳定性。如果你想建一座高塔，那底座最好要宽，然后建成圆锥形。最后一步，释放你的创造力！好了，尽情欣赏你亲手打造出的大作吧……直到它不可避免地被潮水冲走。