沙垒是一种游戏.用干沙或含水量多的沙都筑不成沙垒,只有湿沙才能筑成.沙垒筑成后,一旦干燥即崩溃;要使沙垒保持原来的形状,就得小心浇水,使它保持一定的湿度.
是什么力量使沙垒能保持不散呢?湿沙含有一定量的水.水一般是作为润滑剂使用的,它怎么又能增加沙子的黏性呢? 有人认为,沙垒是由于沙中水的表面张力而结合在一起的.水分子具有一个永恒的电偶极,被称为极性分子.这些电偶极相互吸引.在水与空气的表面上,相邻水分子的相互吸引使得水面实际上处于紧张状态.相互吸引产生的合力,使水面弯曲.在沙垒表面,这个合力是有助于沙垒的稳固的.然而在没有空气界面的沙垒内部,沙出同样稳固.虽然内部的水分子通过其电偶极的电场互相吸引,但这种引力很弱,它无助于沙的稳固,不足以阻止它的流动.因此,这种解说是不能令人满意的.
那么沙子在潮湿时黏结的力究竟是怎么产生的呢?一颗湿的沙粒表面存在正负两种离子.通常这两种离子成对组合,其中一人比另一个离沙粒表面稍微远些.究竟哪个离子在外,这在沙粒表面上是处处各异的.两种取向的离子在沙粒周围的空间产生了一个电场.
负离子中,负电荷比正电荷多,其带负电的电子云朝着邻近正离子方向,稍稍偏离它的带正电的原子核.这样,形成电偶极.它在沙粒表面以外形成一个较弱的电场.而表面的正离子缺少负电荷,且它的电荷并不像负离子那样发生分离.因此,它的电场,是一个点电荷产生的电场,这个电场比电偶极所产生的电场要强.由此可见,一个沙粒周围的电场主要是由于沙粒表面的正离子产生的.
沙粒周围的电场,改变了离沙粒表面较远的水分子中的氢核的平均距离.临近表面的水层相对地具有负电性;而远离表面的水层相对具有正电性.从负电性到正电性的变迁是渐进的.这一现象,称为电的双层扩散.
正是沙粒周围的电场,重新安排了水中氢原子的平均距离.从而使水的流动性减小了.由于水的粘度增加,阻碍了沙粒间的相对滑动,沙就稳固了.
水的稳定趋势,随着离开沙粒表面的距离增加而减弱.当沙粒间的水量过大使湿沙流动时,它就不能用来构筑沙垒了.尽管沙粒周围相对带负电的水,仍然吸引着离沙粒较远的相对带正电的水,但是水把沙粒分离得太远了.这种粘度较小的水流动着,它不能阻止沙粒及周围相对带电的水相互滑移.因此,含水过多的沙是筑不起沙垒的.