比空气重一千多倍的沙子为何能飞到天上？外甥女被沙子迷了眼睛，让我解开了这个秘密-优快云博客

一、小朋友的疑惑

外甥女被沙子吹进了眼睛，揉着眼睛哭唧唧问我，为何沙子被吹起来进了眼睛呢？咋一听很是好笑，风大就把沙子吹起来了呀，但是她又继续追问我，为何风大就能把沙子吹起来呢？她这样一问，不禁让我思考，沙子是岩石的碎屑，密度至少是空气的一千多倍，而我们从小就知道，只有密度比空气小才能浮起来，就像木头漂浮于水中一样，那么为何沙子能够被吹起漂浮在空气中？并且被吹到我外甥女的眼睛里，甚至吹到千里之外的北京？

二、原因猜测

a.我们知道天上的飞机一定是比空气重的，难道沙子像飞机一样的原理飞到天上的吗？

b.沙子一定是受到重力作用的，那么它上天上一定是受到一个持续向上的力吹动他上天，是不是一直有一个向上的风吹着他上天？

c.还有其他哪些力的共同作用导致其漂浮空中甚至被吹到远方吗？

三、小心求证

带着上述疑问和初步猜测，我们一同来解析下其背后的原因原理。

1. 可能原因1论证：沙粒飞升是否和飞机一样的原理？

（一）飞机的飞行原理

飞机的主要升力部位在机翼，机翼产生升力在于其特有的类“鱼”形剖面构型，当气流经过机翼时，在其上部和下部气流间会产生一个速度差，从而使上面压力小，下面压力大，压力差产生了升力。当然，只有速度越大，压力差才会越大，才能产生足够托举起飞机的力；

所以，飞机飞升至天上的核心有两点：一要有其特定的构型，使气流流过时产生速度差；二需要有足够大的速度，即气流流过的越快，产生的压力差越大，即产生的升力越大；

那么对于沙子飞上天，是否也是同样的原理呢？

（二）沙子是否满足飞机的飞行条件

根据上述的观点，我们应该首先研究下沙子的形状，根据实际实验测量发现，沙尘暴中的沙子形状主要为棱角鲜明的不规则状，并不是像机翼剖面那种类“鱼”状；主要原因和沙尘暴的沙尘来源地有关，其中沙尘并不是我们很多人认为的从沙漠中吹过来的，而是来源于沙漠附近的戈壁滩及沙漠边缘地带；而沙漠中的沙子确实由于长时间的风蚀作用，形成圆球状或类圆球状。但是，不管是沙尘暴亦或沙漠中的沙子均不具备产生升力的绝佳构型；当然，即使不具备最佳构型，若在沙粒上下表面始终存在压力差的话，那么只要风力强，同样可以上天。

那么沙粒表面是否存在压力差呢？答案是肯定的，当风吹过地面时，由于气体的本身的黏性，会在靠近地面的附近形成一层边界层，边界层内紧挨着地面的速度为0，高度越高气流速度逐渐增大，直至边界层的上边缘速度和来流风速一致，所以在边界层内气流横向速度会有很大的变化。而常见的沙粒直径尺度在其黏性边界层范围内，故沙粒底部和顶部是会存在速度差的，必然会引起压力差，那么这个压力差引起的升力是否会让沙粒飞起呢？

先说答案：相关科研人员开展了丰富的理论计算和实验观测，结果表明：伯努利升力计算值实际占重力不足20%，实际值占比应在5%-10%的量级甚至更低，且伯努利升力随粒径减小而急剧减小！对于粒径小于0.1mm的细颗粒，伯努利产生的升力会变得非常微弱，远小于重力，不足以使沙粒飞上天。

有时间和精力的同学可以阅读下面计算内容，时间有限的同学可以直接跳到下一章。

估算显示伯努利升力约为沙粒重力的18%。这表明在强剪切条件下（摩擦速度0.25m/s），对于0.3mm沙粒，伯努利效应是显著但非使沙粒飞起的力。同时，需要强调的是，上述计算过程中有诸多项假设，其中，气流在流动至沙粒前可能已经完成稳态边界层，沙粒的存在并不能在其上下表面产生由于速度差而产生的压力差，实际伯努利升力应该远小于上述计算值。同时，其有效面积A取投影面积πd²/4也偏大。实际的压差作用面积和分布更复杂，实际可能更接近5%-10%的量级甚至更低。那么沙子是如何上天的呢？

2.原因2论证

网上有个段子说“只要推力够大，板砖都能上天”，沙子是不是也可以呢？如果沙子受到像火箭一样向上的风吹的力，岂不是就可以上天了？

理论上确实可以做到，在此简化计算，假设沙粒仅受到向上的风吹力和重力时，

上升气流升力：

其中： 1.2kg/m3（空气密度），v为气流速度，为阻力系数（与雷诺数Re相关），A =为沙粒迎风面积。我们针对典型沙粒直径的沙粒受力进行了简要计算，结果如下图所示。

由图中可知，对于直径50微米的沙粒，仅需0.04m/s的上升气流即可实现沙粒悬浮或向上移动；但是，沙粒的直径越大，临界上升气流速度逐渐增大。如此看来，沙粒确实可以在地面被风吹至天上。但是这里的前提有个问题，沙粒如何才能持续受到一个向上的风吹力呢？

风就是流动的气流，就像水沿地面流动过程一样，你若细心观察河流会发现有一层层的水流，也有遇到障碍物卷起的一个个水花，在流体力学中就对应为层流和湍流，气流也同样道理，在向下吹动过程中会由于地面的起伏变化，不断发展激起湍流，而湍流中的向上分速度，是有可能将地面沙尘卷吸至空中的。

但是，实验测量发现：在风中的湍流横向梯度，比水平流速低很多，约为水平分速的1/5；同时在近地面由于地面边界层的存在，垂直向上的分量更小，根本不足以带动沙粒飞升。

所以，原因2和上节的原因1一样，是沙粒上天的原因的一部分，但不是沙粒飞升到空中的主要原因。

3.是否有其他力推动沙粒飞上天呢？

既然上述两种可能性都排除了，那么还会有其他什么力导致沙粒飞上天呢？答案是肯定的，

研究发现沙粒飞上天的过程，其实是一个气流和粒子之间综合作用的结果，类似一个乒乓球飞起上天的过程（虽然沙粒是不规则的，但是在此我们是可以将其简化为球形理解），我们中国人对乒乓球运动最熟悉，同学们现在想象下把一粒沙想象为一颗乒乓球，这颗乒乓球放在一堆乒乓球里，就像沙粒的堆积一样，当风很小时，乒乓球之间会由于互相嵌套的咬合结构，不会有移动，但是若风逐渐增大，表层的乒乓球就开始出现转动，并在乒乓球山上慢慢滚动，在移动过程中要克服自身重力及承受其他乒乓球给他施加的阻力，同时其速度也会逐渐增大，并在凸凹不平的乒乓球堆上上下下跳跃式前进，这时候关键点就来了，同学们拿好笔记本了：

这时会遇到下面两种情况：

如下图所示，一种情况，这颗乒乓球在由一颗上面移动到另一颗上时，由于离心力的作用，当速度小时，会沿着球径翻转运动，但当其速度大超过其离心力时，便会在其顶点附近飞出（VA1）；若速度更大，甚至在未到达顶点前由于超过离心力而直接飞出去（VA2）；

另一种情况如下图所示，也是我们经常遇到的现象，当把球快速打出去结果拍打到墙上或中间的拦截柱上时，球会飞出去，沙粒也是同样的道理，上节提到沙尘暴中的沙子主要来自戈壁滩，戈壁滩上有大量碎石，当沙子碰到大块碎石时，就像乒乓球向前移动过程中遇到一堵墙一样，这时候乒乓球会反弹，反弹到天上，即碰撞反弹，沙粒被弹射到空中（VA1，VA2）。

但是这还没有结束，当沙子上天以后，由于没有了地面阻力的束缚，受到风的推力和重力作用，就像飞起来的乒乓球一样快速加速，做抛物线运动，被吹到很远，然后才下降落下（大家一定有打乒乓球被风吹飞跑很远捡球的经历😭），当这颗被风加速后的沙粒落地后，这颗沙粒就会与接触到的其他沙粒发生碰撞并进行动量和能量的交换，从而激起更多的沙粒滚动起来或直接被碰撞上天，一颗从天而降的沙粒激起的冲击力甚至是重力的几百倍。而这些上天后的沙粒会继续发生上述过程，从而激起更多沙粒，如蝴蝶效应一样。研究表明裸露地表的沙粒撞击会引发颗粒数呈指数级增长。

上述过程即一颗沙粒从地上飞升到天上的过程，这些以各种角度上天的沙粒，其中有一颗幸运的沙子就不幸跳到天上飞到了我外甥女的眼睛里/(ㄒoㄒ)/~~。