Fisica e... giochi
La fisica dei castelli di sabbia
Costruire
castelli di sabbia è un divertente gioco dei bambini al mare (l'immagine
mostra una costruzione fiabesca), ma rappresenta anche un interessante
problema di fisica. Come si verifica banalmente sulla spiaggia, la sabbia
umida è più stabile di quella secca, ma per capire da dove
deriva questa maggiore stabilità bisogna sapere che succede quando
la sabbia è bagnata.
Le particelle di sabbia hanno dimensioni che variano tra 0,05 e 2 mm e
possiedono una forma irregolare, erosa da milioni di collisioni. Quando
la sabbia è asciutta, l’attrito tra le particelle garantisce
una debole forza di coesione, che però non basta a contrastare
la forza di gravità, che fa cadere i cumuli di sabbia. L’aggiunta
di acqua cambia notevolmente le proprietà della sabbia: la coesione
tra i granelli umidi aumenta di molto grazie alla forza di attrazione
che si instaura tra le molecole di acqua che circondano i granelli. Questa
forza si chiama tensione superficiale ed è una caratteristica dei
liquidi: le molecole superficiali sono attratte verso l’interno
dalle molecole sottostanti. Si tratta della stessa forza che trattiene
gli insetti sulla superficie di uno stagno o che permette a un liquido
di fuoriuscire un po’ dal bordo di un bicchiere senza caderne fuori.
La tensione superficiale agisce pertanto come un elastico, un collante,
tra i grani di sabbia, creando una forza di attrazione tra essi che è
assente nella sabbia asciutta. Quando si bagna la sabbia, ogni goccia
d’acqua ‘cerca’ il contatto con la superficie di due
o tre granelli; la tensione superficiale fa poi sì che si creino
piccolissimi ‘ponti’ lungo i quali si trasmette la forza di
attrazione che rende compatti i grani. La costruzione di un castello di
sabbia stabile necessita del giusto rapporto tra acqua e sabbia: troppa
poca acqua non è sufficiente a contrastare con la tensione superficiale
la forza di gravità e i castello cade; viceversa, troppa acqua
dissolve i ‘ponti’ creati dalla tensione superficiale e il
castello diventa fanghiglia.
I granelli di sabbia più fini garantiscono una coesione maggiore:
i litorali più adatti sono pertanto quelli bassi, dove c’è
un continuo rimescolamento delle acque. Il sale contenuto nell’acqua
di mare contribuisce a tenere saldo il castello, grazie al suo effetto
collante, che si mantiene anche quando l’acqua comincia a evaporare:
tale effetto è ben noto a tavola, dove nelle saliere il riso aggiunto
serve ad assorbire l’umidità, per evitare che i granelli
di sale si uniscano e formino grumi.
I materiali granulari come la sabbia hanno interesse fisico perché
si comportano al tempo stesso come un liquido e come un solido: per esempio,
la sabbia asciutta in un secchiello può rovesciarsi come un fluido
ma può anche sostenere il peso di un sasso posto sulla sua superficie,
anche se il sasso è più denso della sabbia. Questa proprietà
li rende interessanti in diversi campi di applicazione, per esempio in
quello industriale e farmaceutico. Anche la NASA ha spedito campioni di
sabbia nello spazio a bordo di alcune sonde per studiarne le proprietà
in assenza di gravità, in particolare per sperimentare se la coesione
che la sabbia manifesta sulla Terra si mantiene anche nello spazio.
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