Cát ẩm đắp được lâu đài vì giữa mỗi cặp hạt cát có một cầu nước nhỏ xíu, mặt nước cong lõm và sức căng bề mặt kéo hai hạt dính vào nhau như có keo. Cát khô không có cầu nước nên hạt rời nhau, chỉ chồng được thành đống dốc thoai thoải. Cát sũng nước thì nước lấp đầy mọi khe, không còn mặt nước cong nào để kéo, nên cát lại nhão ra và chảy.
Thấy nó ở đâu, lúc nào
Trên bãi biển Sầm Sơn, Mỹ Khê hay Nha Trang, trẻ con nào cũng biết: muốn đắp thành thì phải lấy cát ở dải giữa, chỗ sóng vừa liếm qua rồi rút, cát sẫm màu và mát tay. Cát trắng phau trên bờ cao thì xúc lên là chảy tuột qua kẽ tay; cát ngay mép nước ngập sũng thì bóp chặt cũng chảy ra như cháo. Thành cát đắp xong buổi sáng, đến trưa nắng gió hong khô là bắt đầu lở từng mảng.
Ngoài biển cũng thế: đống cát xây dựng sau trận mưa nhẹ dựng đứng được thành vách khi xúc, đất bột ẩm nặn được còn khô thì tơi, tóc ướt bết thành lọn còn tóc khô hay sũng nước ngâm trong chậu thì xoã ra. Cùng một cơ chế ở các kích cỡ khác nhau.
Bài này nói về độ dính của cát ẩm. Cảnh giẫm lên cát ướt thấy quanh chân khô trắng ra là một hiện tượng khác, do cát giãn nở khi bị ép, được giải thích ở bài riêng trong mục đất, sông và biển.
Cơ chế: cầu nước giữa các hạt
Cát khô: chỉ có ma sát
Hạt cát khô là những mảnh đá thạch anh nhỏ, cỡ một phần mười đến một vài milimet. Giữa chúng không có lực hút đáng kể. Thứ duy nhất giữ đống cát khô lại là ma sát và sự cài răng lược của hạt. Đổ cát khô thành đống, nó tự lở cho tới khi sườn đống đạt một độ dốc nhất định, thường khoảng 30–35 độ, gọi là góc nghỉ. Dốc hơn là lở. Không có cách nào dựng vách đứng bằng cát khô.
Cát ẩm: cầu nước kéo hạt lại
Thêm một chút nước, nước bám vào bề mặt hạt cát (thạch anh ưa nước) và tụ lại ở chỗ hai hạt gần nhau nhất, thành một cái cầu nước nhỏ hình eo, giống chiếc nơ. Mặt ngoài của cầu cong lõm vào trong. Có hai lực kéo hai hạt về phía nhau: sức căng bề mặt kéo dọc theo viền cầu nước, và áp suất trong cầu nước thấp hơn không khí bên ngoài vì mặt nước cong lõm. Mỗi cầu nước chỉ kéo một lực rất nhỏ, nhưng trong một nắm cát có hàng triệu cầu như thế, tổng lại thành độ bền đủ để dựng tường.
Điều thú vị là không cần nhiều nước. Thí nghiệm của các nhà vật lý từ cuối thập niên 1990 cho thấy chỉ một lượng nước rất nhỏ, cỡ vài phần trăm thể tích, đã đủ biến cát rời thành khối dính. Và trong một khoảng độ ẩm khá rộng, độ bền gần như không đổi: thêm nước thì cầu nước to hơn nhưng không mạnh hơn bao nhiêu, vì lực kéo phụ thuộc chủ yếu vào kích thước hạt và sức căng bề mặt.
Cát sũng nước: hết mặt cong, hết dính
Khi nước đầy tới mức lấp kín mọi khe giữa các hạt, các cầu nước nhập làm một, mặt nước cong lõm biến mất (chỉ còn ở mặt ngoài khối cát). Không còn mặt cong thì không còn áp suất thấp kéo hạt lại. Hơn nữa nước nhiều làm hạt nổi lên đôi chút, ma sát giảm. Thế là cát chảy như chất lỏng đặc.
Bảng so sánh ba trạng thái
| Trạng thái | Giữa các hạt có gì | Đắp được gì | Ví dụ trên bãi biển |
|---|---|---|---|
| Cát khô | Không khí | Chỉ đống dốc khoảng 30–35° | Bờ cát cao, trắng, nóng chân |
| Cát ẩm | Cầu nước nhỏ ở chỗ hạt chạm nhau | Vách đứng, tháp, cầu vòm nhỏ | Dải cát sẫm, sóng vừa rút |
| Cát sũng nước | Nước lấp đầy mọi khe | Chỉ nhỏ giọt thành tháp kiểu "nến chảy" | Mép nước, đáy hố có nước |
Những chuyện liên quan
Hạt càng nhỏ, dính càng chắc
Lực của mỗi cầu nước tăng theo kích thước hạt, nhưng số cầu nước trong một nắm lại tăng nhanh hơn nhiều khi hạt nhỏ đi. Kết quả là cát mịn ẩm bền hơn cát thô ẩm. Đất sét và đất thịt hạt cực nhỏ khi ẩm dẻo, nặn được hình; đó cũng là một phần lý do đất ruộng ẩm dính chặt vào chân.
Người Ai Cập cổ tưới nước trước xe trượt
Một bức vẽ trong mộ Djehutihotep ở Ai Cập (khoảng 1900 năm trước Công nguyên) cho thấy cảnh nhiều người kéo một bức tượng lớn trên xe trượt, có một người đứng phía trước đổ nước xuống cát. Năm 2014, một nhóm nhà vật lý ở Đại học Amsterdam thử kéo xe trượt trên cát và đo được rằng làm ẩm cát đúng mức giảm lực kéo cần thiết khoảng một nửa: cát ẩm cứng lại, xe không bị lún và đẩy cát thành gờ phía trước. Nhiều nhà khoa học cho rằng đây là lời giải cho chi tiết đổ nước trong bức vẽ, dù không ai khẳng định được người Ai Cập dùng cách này ở mọi công trình.
Nghệ nhân điêu khắc cát làm khác trẻ con
Những tượng cát khổng lồ ở các lễ hội không chỉ dùng cát ẩm. Người ta đổ cát và nước vào khuôn gỗ không đáy, nện chặt từng lớp, chờ nước thừa rút đi rồi mới tháo khuôn. Cát nện chặt có nhiều điểm chạm giữa các hạt hơn, tức nhiều cầu nước hơn, nên bền hơn hẳn cát xúc rời. Sau đó họ gọt từ trên xuống dưới, phần trên không đè lên phần đã gọt mỏng. Nhiều nơi còn phun một lớp dung dịch keo loãng lên ngoài cùng để chống gió làm khô bề mặt.
Thành cát sụp khi khô
Nắng gió làm nước bay hơi từ ngoài vào trong. Các cầu nước ngoài cùng biến mất trước, hạt cát mặt ngoài rời ra, gió thổi đi, lộ lớp cát ẩm bên trong, lớp này lại khô tiếp. Thành cát lở dần từ ngoài vào. Đó là lý do người đắp thành hay té nước nhẹ lên tường để giữ ẩm.
Những hiểu lầm thường gặp
- "Nước làm cát dính vì nước là keo." Nước không phải keo. Nước sũng làm cát chảy, nước ẩm mới làm cát dính. Lực dính đến từ mặt nước cong giữa hạt, tức là từ ranh giới nước – không khí.
- "Càng nhiều nước càng chắc." Chỉ đúng tới một mức rất thấp. Sau đó độ bền đi ngang, và khi gần sũng thì giảm vọt.
- "Cát biển dính hơn cát sông vì có muối." Muối không phải nguyên nhân chính. Khi khô, muối có thể kết tinh giữa hạt tạo một lớp vỏ cứng nhẹ trên mặt, nhưng thứ giữ lâu đài là cầu nước. Cát sông mịn và ẩm đắp cũng tốt.
- "Cát ẩm dính và cát ướt khô trắng quanh chân là một chuyện." Hai hiện tượng khác nhau. Một bên là cầu nước giữa hạt, một bên là cát giãn nở khi bị ép làm nước rút xuống.
Tự quan sát / tự thử an toàn
Ở nhà với ba cốc cát
- Lấy cát xây dựng hoặc cát bể cá đã rửa, phơi thật khô. Chia vào ba cốc nhựa bằng nhau.
- Cốc một để khô. Cốc hai thêm một thìa canh nước rồi trộn đều. Cốc ba đổ nước ngập mặt cát.
- Nện chặt cát trong mỗi cốc bằng mặt thìa, lật úp lên đĩa như làm bánh flan rồi nhấc cốc lên.
- Quan sát: cốc khô đổ thành đống thấp; cốc ẩm giữ nguyên hình cốc; cốc sũng bẹp ra.
- Đặt một đồng xu lên từng khuôn cát, thêm dần đồng xu để so khả năng chịu tải.
- Thử lại cốc hai với hai, ba, bốn thìa nước. Ghi xem độ bền đổi thế nào: bạn sẽ thấy một khoảng khá rộng mà kết quả gần như nhau.
Ngoài bãi biển
Xúc cát ở ba dải: bờ khô, dải ẩm, mép nước; nắm chặt rồi mở tay. Đo góc nghỉ của đống cát khô bằng ứng dụng đo độ nghiêng trên điện thoại đặt dọc sườn đống. Đắp một tháp nhỏ, chụp ảnh mỗi 30 phút để xem nó lở từ đâu. Không đào hố sâu ngang ngực trên bãi cát: vách cát có thể sụp đột ngột và vùi người. Luôn có người lớn trông, tránh xa vùng sóng mạnh.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao cát ẩm đắp được lâu đài còn cát khô thì không?
Trong cát ẩm, giữa các hạt có cầu nước nhỏ với mặt cong lõm; sức căng bề mặt và áp suất thấp trong cầu nước kéo các hạt dính lại. Cát khô không có cầu nước, các hạt chỉ giữ nhau bằng ma sát nên lở thành đống thoai thoải.
Vì sao cát sũng nước lại chảy?
Khi nước lấp đầy mọi khe, các cầu nước nhập làm một và mặt nước cong giữa các hạt biến mất. Không còn lực kéo, hạt lại hơi nổi lên trong nước nên cát chảy như chất lỏng đặc.
Cần bao nhiêu nước để đắp lâu đài cát?
Không cần nhiều; một lượng nhỏ cỡ vài phần trăm thể tích đã đủ tạo cầu nước. Trong một khoảng độ ẩm khá rộng, độ bền gần như không đổi. Quan trọng hơn là nện chặt cát để tăng số điểm chạm giữa các hạt.
Góc nghỉ của cát khô là bao nhiêu?
Thường khoảng 30–35 độ, tuỳ hình dạng và kích thước hạt. Sườn đống cát khô dốc hơn góc này sẽ tự lở.
Vì sao người Ai Cập cổ đổ nước lên cát trước xe trượt?
Thí nghiệm năm 2014 cho thấy cát được làm ẩm đúng mức cứng hơn, xe trượt không lún, lực kéo giảm khoảng một nửa. Nhiều nhà khoa học cho rằng chi tiết người đổ nước trong bức vẽ mộ Djehutihotep phản ánh kỹ thuật này.