Publicado: 
11 de julio de 2002

La Física de los Castillos de Arena

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 Portal de Ciencia@NASA

Una futura misión del Transbordador llevará pequeñas columnas de arena al espacio -- y volverá con valiosa información para los ingenieros de terremotos, granjeros y físicos.

NASA
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Julio 11, 2002: Dele a un niño un balde de plástico y una pala, después déjelo libre en una playa llena de arena. Pasará felizmente todo el día construyendo castillos de arena. Es la máxima diversión.

Pero también es física en serio.

Los castillos de arena están construidos de granos -- miles de millones de pequeñas partículas de bordes afilados que rozan y giran todas juntas. La resistencia de un castillo de arena depende de la interacción de los granos entre sí. ¿Qué pasa cuando [los granos] están húmedos? ¿Cómo responden a una sacudida? No sólo la gente que visita la playa está interesada en saberlo; los granjeros, físicos e ingenieros también quieren entenderlo.

Arriba: "Una fortaleza de arena, Julio de 1980". Fotografía de George Vetter, para la "Competencia de Castillos de Arena de Cannon Beach" (Cannon Beach Sand Castle Contest), un proyecto de Patrimonios Locales de Oregon (Oregon Local Legacies).

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Cuando los chicos construyen un castillo de arena, comienzan por juntar agua del mar para mojarla. No demasiado -- sólo lo suficiente para hacer que la arena se pegue sin que el agua rezuma. (Planificadores de emergencias: piensen en predecir una destructora avalancha de lodo.) Luego compactan la arena húmeda dentro de un balde, y le dan vuelta para construir la base resistente de una torre. (Ingenieros: piensen en diseñar cimientos compactos para carreteras.)

A los chicos les encanta construir las torres lo más altas posible -- hasta que de repente, una pared se derrumba y la torre se desliza hacia el foso. (Granjeros: piensen en los granos en contacto los unos con los otros en un silo, y luego colapsando repentinamente y destruyendo el silo.) Inclusive podrían decorar el castillo dejando caer gotas de arena húmeda desde sus dedos, la cual se solidifica para formar estalagmitas de extraña apariencia. (Artistas: no lo olviden, la física es hermosa.)

Los científicos comprenden en general el comportamiento de la arena en la playa. La arena húmeda se pega debido a que el agua forma pequeños puentes entre los granos. La tensión superficial -- la misma fuerza que permite a algunos insectos caminar sobre la superficie de un charco -- actúa como bandas de goma entre los granos. El agregado de agua a la arena húmeda llena los espacios entre los granos. Los puentes se desvanecen y la arena comienza a fluir más fácilmente.

Suena como algo simple, pero la arena mojada aún puede desconcertar a los investigadores.

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Por ejemplo, cuando se produce un terremoto, el suelo húmedo que se encuentra por debajo de la superficie, a veces se "licúa" -- convirtiéndose repentinamente en algo parecido más a arenas movedizas que a la pared sólida y resistente de un castillo de arena. Esto sucedió durante el terremoto de Loma Prieta en 1989 en San Francisco. Las vibraciones licuaron el suelo empapado en agua en Marina District, causando el hundimiento de edificios hasta que el tercer piso alcanzó el nivel del suelo.

Esta transición es rápida y poco comprendida.

Arriba: Un automóvil yace aplastado debajo del tercer piso de este edifico de apartamentos en San Francisco, después del terremoto de Loma Prieta en 1989. [más información]

Durante un terremoto, las ondas de choque comprimen el suelo tan rápidamente que no permiten el escape total del agua, incrementando la presión de la misma. A medida que la presión del agua se incrementa, el agua soporta cada vez más carga; la arena soporta cada vez menos. Irónicamente, esta repentina compresión reduce la presión entre granos de arena individuales -- a veces inclusive por debajo de toneladas de roca y polvo.

"Hasta este punto entendemos el proceso", dice Stein Sture, un profesor de ingeniería en la Universidad de Colorado-Boulder (University of Colorado-Boulder), "pero ¿cómo, exactamente, los granos interactúan a medida que la presión entre ellos se aproxima a cero?"

"El estudio de este proceso en laboratorios terrestres es difícil porque el propio peso de la arena genera estrés sobre los granos", continúa. Si los investigadores pudieran eliminar el estrés (y durante un largo tiempo), podrían estudiar más fácilmente la licuefacción del suelo.

Es por esto que Sture está enviando arena al espacio. Él es el investigador principal de un experimento llamado Mecánica de Materiales Granulares-III (o "MGM-III" por las siglas en inglés de Mechanics of Granular Materials-III), programado para volar a bordo del Transbordador Espacial Columbia (STS-107) a fines de este año.

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El experimento es aparentemente simple: una columna de arena saturada con agua en una manga de látex es repetidamente comprimida entre dos placas. (En términos de castillos de arena, la consistencia de la arena es más parecida a la de la arena acuosa que gotea de los dedos, que a la arena húmeda compactada para construir la base resistente de una torre.) Un ciclo completo de "compresión y descompresión" toma casi diez minutos. Esta compresión simula lo que sucede en un suelo lleno de agua durante un terremoto.

Arriba: una columna de arena es comprimida durante un experimento MGM anterior, a bordo del Vuelo STS-79 del Transbordador. La velocidad de la película es engañosa; la secuencia completa toma casi una hora.

Tres cámaras a bordo del Transbordador Espacial documentarán cómo la columna se deforma. Después de que el experimento regrese a la tierra, los científicos utilizarán representaciones visuales de secciones de la columna producidas a través de Tomografía Computarizada (o CT scans, abreviación del inglés Computed Tomography scans) para estudiar la estructura interna de la columna de arena. Luego inyectarán pasta epóxica para endurecer la arena, preservando los patrones internos para estudios posteriores de microscopía.

"Esta será la primera  vez que tendremos una ventana de observación en este importante proceso", dice Sture.

Vuelos anteriores del dispositivo MGM a bordo de los Transbordadores Atlantis (STS-79) y Endeavour (STS-89) revelaron cosas sorprendentes sobre la arena seca. Debido a la falta de datos reales sobre suelos a bajas presiones, los científicos habían asumido que las tendencias observadas a mayores presiones, simplemente se extenderían de la misma manera a presiones más bajas. Pero MGM-I y II demostraron lo contrario.

Abajo: Secciones transversales obtenidas por Tomografía Computarizada (CT scans) de la columna de arena después de su retorno a la Tierra, revelan importantes pistas sobre el comportamiento de la arena bajo compresión. [más información]

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"Encontramos, por ejemplo, propiedades de resistencia que son casi dos veces mayores de lo que normalmente habríamos estimado", dice Sture, lo cual significa que a bajas presiones, una capa de arena puede soportar un peso dos veces mayor de lo que previamente se había pensado. Pero si la presión se reduce un poco más de manera que se aproxime a cero, la resistencia desaparece por completo. ¡Sorprendente!

Quizás sorpresas similares esperan a MGM-III. Nadie lo sabe.

Sture hace notar que "entender el proceso de licuefacción del suelo ayudará a los ingenieros a decidir si un lugar es seguro para la construcción, y quizás contribuya al diseño de cimientos de edificios que ayuden a prevenir la licuefacción del suelo".

Los beneficios prácticos de estos experimentos se extenderán más allá de los suelos. El grano en un silo es también un material granular, como también lo son los cereales en general, muchos fertilizantes, y carbón y cenizas. En todos estos casos, el saber cómo lograr que el material se deslice suavemente o retenerlo en un lugar, sería algo beneficioso.

Es algo importante para considerar la próxima vez que construya un castillo de arena: dentro del foso hay física de mucha trascendencia.

El experimento MGM es dirigido para NASA por el Centro Marshall para Vuelos Espaciales (Marshall Space Flight Center) en Huntsville, Alabama.

Enlaces a la Red Investigación Espacial y Usted -- información sobre otros experimentos de microgravedad a bordo del vuelo del Transbordador STS-107, de la Oficina de Investigaciones Biológicas y Físicas de NASA.

Mecánica de los Materiales Granulares -- Portal de Internet para series de experimentos. La información también está disponible en el Portal de Internet de MGM de la Universidad de Colorado en Boulder.

Castillos de Arena -- una página de Los Archivos del Por qué (The Why Files) explicando por qué la arena húmeda se aglutina.

La arena fluye en el espacio -- artículo de Ciencia@NASA: Para aprender más sobre el comportamiento de los suelos durante los terremotos, los científicos de la NASA enviarán arena a la órbita terrestre. Sus resultados ayudarán a los ingenieros a construir estructuras más seguras en la Tierra y, algún día, en otros planetas.

Experimento de Mecánica de los Suelos Provee Nueva Información -- artículo de Science@NASA (en inglés) que discute los resultados de los dos experimentos MGM.

¿Qué es lo que Mantiene a los Castillos de Arena de Pie? -- artículo del Discovery Channel Canadá que analiza por qué la arena húmeda se aglutina.


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