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沙子一方有多少吨重，这个物理知识务必提前告诉孩子

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仔细观察视频，你会发现什么？先别急于说出你的结论，我们来看一起最新的海滩事故。


美国新泽西州当地时间5月17日下午4点多，18岁的哥哥带着17岁的妹妹在当地一个沙滩上用飞盘挖了一个大深洞，结果堆积在洞口的周围的沙子突然坍塌，将二人“活埋”在里面，经过紧急救援，妹妹很快被成功救出，但是哥哥卡弗利却被死死地压在沙堆里，急救人员花了两个半小时才把他从沙子里拉出来，可是遗憾的是他却因长时间窒息而死亡。




当然这并不是孤例，发生在美国类似的例子还有很多。

明尼阿波利斯心脏研究所基金会的马龙在一项沙滩坍塌研究中指出：1997年至2000年间，美国发生了7起由个人在海滩干沙中挖出的塌陷洞的案例，统计有4人窒息而死，3名幸存者面临生命危险但最终被成功救出。事故受害者年龄从 8 岁到 21 岁不等；7名受害者中有6名是男性；这些洞的直径在 3~15 英尺（0.91~4.57米），深度在 3~9 英尺（0.91~2.74米），多是是用手或沙滩玩具挖出来的。在7起案例中，有5起是在娱乐活动中挖的洞，另外2起是之前就有。在沙滩倒塌时，有2人正在洞底，其他几起要么是不小心跌入要么是主动跳入，结果引发坍塌压埋。


在上面的每一起事故中，当洞壁倒塌时，人突然被淹没在其中。在大多数情况下，这个人从视线中消失了，几乎没有留下任何痕迹，而且沙子看起来像没有受到任何扰动一样。但是这样会严重限制救援能力，因为往往救援人员不知道人被埋在哪里，所以不能使用金属铲，盲目使用的话可能会伤及被埋的人，但是徒手挖掘也有问题，一边挖沙子也会一边继续坍塌，乃至填埋刚挖掘的区域。


这就涉及到一个很关键的物理知识，如果你负责带孩子，一定要认真地了解一下。

休止角

还记得文章开头的视频吗？在一块干净的木板上，让沙子按照一定的速度一点点地往下漏。于是沙子便在原地逐渐堆积起来，形成一个小沙丘的模样。一段时间后，当沙丘形成一定的倾斜面后，顶端的沙子就会自动顺着斜坡滑落下来。我们可以将之视做一个微观层面上的“山体滑坡”现象。如果漏下的沙子越来越多，那么滑落下来的沙子也会增多，从而使得滑坡的规模也越来越大。


要是沙子漏下的速度保持不变，那么积累在顶部的沙量和滑落下去的沙量将会达到平衡，而沙丘的倾斜角也将维持不变，堆积成的锥体母线与水平面底部直径的夹角叫做“休止角”，像沙子这样的散粒体的休止角又称静止摩擦角或称堆积角。

沙子的休止角

有趣的是，一般来说休止角的度数与沙丘的大小无关，而是随着沙子性质的不同，具有不同的特定的度数。也就是说，无论漏下多少沙子，沙丘都会自动地形成一定的倾斜角，并始终保持这个角度不变。如果小于休止角，沙丘就会继续积累；如果大于休止角的话，沙丘顶部就会向旁边滑落，以保持在休止角的度数上。这种状态就叫做“临界状态”。

休止角的范围是0~90°，角度越大，内摩擦力越大，散落能力越小，这是我们所希望的。假如沙滩上孩子们挖的洞的休止角能到90°，那肯定是最安全的，意味着它不会坍塌，但是事与愿违。沙子的休止角与其尺寸、形状、湿度、排列方向等都有关。


① 粒径越小，休止角越大，这是因为微细粒子相互间的粘附性较大。

② 沙子形状越接近于球形，休止角越小，因为相邻沙粒之间互相摩擦约束的力量随着球形度越大而变小。

③ 有人问为什么我们有时在沙滩上能挖出洞臂近乎垂直而不坍塌的洞呢？因为如果适当均匀增加沙子之间的含水量，那么休止角会增加。这也很好理解，视频中的干沙很容易坍塌，而在接近海水的沙滩上的洞却不容易塌。

④ 还要注意一个关键因素——振动。如果对物料进行振动，那么休止角将减小，流动性增加，一般是振动频率越大，休止角越小。这也就解释了上述案例中提到的当有人跳入沙洞时，洞臂会受振动而坍塌的原因。


一定要告诉孩子的事

  1. 埋在 30 厘米深的沙子中，有时甚至更小，就可能会导致窒息，因为受害者由于大量材料压缩胸部而无法充气，儿童特别容易受到这种影响。沙子每立方米重约1600~1800公斤，如果这些全压埋在人的躯干上，相当于20个成年人站在受害者的胸前。
  2. 当坍塌发生时，被压埋的人必须在几分钟之内被救出来，因为在没有氧气的情况下，5分钟就会导致脑损伤甚至死亡。
  3. 不要觉得沙子坍塌后，人很容易被找到，一旦发生倒塌，通常很难找到受害者。快速挖掘沙子以找到被埋的人也是一项艰巨的挑战。
  4. 假如被埋的人有幸被及时找到，必须清理他们的鼻子和嘴巴，并立即清理干净他们胸前的沙子。在许多情况下，需要进行心肺复苏。
  5. 一定不要让儿童在没有成年人监管的情况下，自己挖超过30厘米深的洞。
  6. 不论有没有成人监管，都不要让孩子挖比最小的孩子腰还要深的洞。
  7. 一定提醒孩子，不要把自己的头或胸伸进挖的洞里，也不要把别人埋在洞里。


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