Come costruire il castello di sabbia perfetto secondo la fisica

I fisici si occupano di indagare la natura dell'universo. Quark, teoria delle stringhe, il multiverso, tutti campi di ricerca fondamentali che miglioreranno la comprensione che abbiamo del mondo che ci circonda. Ma hanno sempre ignorato un tema in particolare, almeno fino a oggi. Come si costruisce il castello di sabbia perfetto?

Tre anni fa, un team internazionale di fisici e scienziati della materia provenienti da alcune università del Belgio e dell'Olanda ha finalmente preso in carico questa domanda secolare. Dopo aver compiuto una serie di esperimenti per determinare la composizione ideale di un castello di sabbia, hanno pubblicato i risultati su Nature.

Il team ha riempito di sabbia alcuni tubi cilindrici in PVC di diverse dimensioni, e li ha poi tagliati e rimossi, lasciando così colonne di sabbia di diverse altezze.

Le deduzioni fatte hanno confermato ciò che qualsiasi veterano dei castelli di sabbia sapeva già. Un castello con una base più ampia potrà anche essere più alto, come è vero—d'altronde—per qualsiasi altra struttura. Infatti, comprimendo e bagnando la sabbia nelle giuste proporzioni, non c'è limite in linea teorica all'altezza e alla larghezza a cui il castello può arrivare. Sembrerà solo un passatempo, ma costruire un buon castello di sabbia ha molte cose in comune con qualsiasi altra opera di ingegneria civile.

Motherboard ha intervistato Daniel Bonn, un fisico dell'università di Amsterdam, per sapere come si costruisce un castello di sabbia invidiabile.

MOTHERBOARD: Hai contribuito a un articolo qualche anno fa intitolato "How to Build the Perfect Sandcastle." Un argomento interessante con cui confrontarsi per un gruppo di fisici. Cosa vi ha ispirati?
Daniel Bonn: Ci interessava capire le proprietà meccaniche della sabbia bagnata; è incredibilmente importante in moltissimi campi (quando si costruiscono case, strade e ponti su terreni sabbiosi, o il problema che riguarda l'Olanda in modo particolare della stabilità degli argini, per esempio.)

Hai detto che la formazione di "ponti capillari" tra granelli di sabbia è il motivo per cui la sabbia e l'acqua interagiscono in modo da creare una struttura che può sostenere il suo stesso peso. Puoi spiegare brevemente cosa sono i ponti capillari e cosa c'entrano con l'interazione tra sabbia e acqua?

Le gocce d'acqua e le bolle di sapone preferiscono essere sferiche perché questa forma minimizza la superficie totale—creare area di superficie costa energia. Similmente, una piccola quantità di acqua tra due granelli di sabbia forma un minuscolo ponte liquido che porta al minimo l'area di superficie tra l'acqua e l'aria. Se uno dei granelli si sposta rispetto all'altro, si crea automaticamente area di superficie. La cosa costa energia, e ne consegue una resistenza alla deformazione.

Si può percepire facilmente: basta mettere un bicchiere con il fondo piatto nel lavandino della cucina. Se il lavandino è asciutto, alzare il bicchiere è semplice. Ma se c'è una goccia d'acqua tra il bicchiere e il lavandino, la cosa diventa più complessa.

Quali sono i fattori che rendono "perfetto" un castello di sabbia, che sia allo stesso tempo magnifico e dotato di una struttura solida?

Un elemento chiave è la giusta quantità di acqua, ma anche l'attenzione nel compattare la sabbia. Chi costruisce castelli di sabbia a livello professionale si avvale dei thumper [macchine progettate per compattare la sabbia meccanicamente] tutto il tempo, per essere certo che la sabbia diventi molto compatta. Per le caratteristiche della sabbia, vedi sotto. Per il resto, bisogna chiedere ai professionisti…

Sappiamo che il raggio della struttura, a quale densità è compattata la sabbia che la compone, e la composizione della sabbia cambiano le cose nettamente. CI sono altri fattori che i costruttori devono tenere in considerazione, tipo il clima, la pressione atmosferica, l'acqua salata rispetto all'acqua dolce, ecc.?
Un'aria molto umida e una temperatura bassa aiutano a prevenire l'evaporazione dell'acqua; infatti, i costruttori professionisti hanno sistemi spray per tenere la sabbia costantemente umidificata. L'acqua salata sicuramente aiuta: se l'acqua evapora, si formano cristalli di sale che in genere si attaccano bene ai i granelli di sabbia, e funzionano come collante.

So che la geologia non è il tuo campo di interesse, ma ci sono altri tipi di sabbia—come la sabbia idrofobica—migliori di altri per questi progetti?
Non credo che la sabbia idrofobica esista in natura, anche se la sabbia che è stata contaminata da greggio proveniente dai pozzi vicini potrebbe essere considerata simile. I granelli angolari sembrano aiutare, così come le argille presenti naturalmente nelle battigie dei fiumi, e usare granelli con granulometrie diverse.

Nella sezione di discussione sostieni che, con una sabbia tipica da spiaggia, una torretta con un raggio di 20 cm può essere alta fino a 2.5 metri. Sulla base delle tue osservazioni, esiste un limite massimo, un punto in cui per quanto si aumenti il raggio della base della struttura non si può più salire?

No, non da un punto di vista fisico, assolutamente. Ma se volete costruire la torre di Babele, incorrerete in tutta un'altra serie di problemi, tipo il fatto che la temperatura e l'umidità cambiano quando si va troppo in alto…

In base a quello che hai dedotto, qual è il modo migliore per ottenere la densità sufficiente per costruire un buon castello in situazioni normali? Hai qualche trucco o suggerimento?

I thumper! I camion thumper, idealmente. e lasciare la sabbia battuta intorno aiuta molto: è così che si fa in genere, quando, per esempio, si costruiscono i ponti.