¿Quién no se ha pasado tardes enteras en la playa tratando de que un montón de arena se parezca, aunque sea un poco, a un castillo?...

No existen registros sobre cuándo los hombres comenzamos a construir esculturas y castillos en arena. Sí se sabe que los egipcios utilizaban la arena para hacer modelos a escala de las pirámides que iban a construir, y que la construcción de castillos de arena con fines artísticos comenzó en Estados Unidos a principios del siglo XX. Los concursos y exposiciones tuvieron también allí su origen, y luego se extendieron por las playas europeas. Hoy, prácticamente no hay playa donde no se realicen concursos de castillos en temporada de verano.

Es que todos saben que darle a un niño un balde de plástico y una pala, y dejarlo libre en una playa llena de arena es, sin duda, sinónimo de castillos de arena. Pasarse todo el día construyendolos puede llegar a ser una diversión muy entretenida. Sin embargo, ver cómo aquella construcción que ha costado tanto y ha demandado tantas horas bajo el sol se viene abajo... ¡eso sí que es frustrante!.

Por eso, los amantes de los castillos han dedicado mucho tiempo a experimentar, para encontrar la medida exacta de arena y agua para lograr una mezcla consistente, que permanezca firme y estable. En su ayuda acudió un grupo de científicos norteamericanos, que quisieron encontrar la fórmula perfecta para que los castillos "se afirmen".

El estudio fue titulado "Ángulo máximo de estabilidad de una montaña granular" y realizado por el Instituto de Tecnología de la Universidad Clark de Massachusetts, que lo publicó en la revista "Nature Physics". Además de los "arquitectos playeros", el estudio será útil para determinar la estabilidad de muros de contención según los materiales que retienen, y para investigar acerca de la estabilidad de los materiales granulares.

"Todo el que haya construido un castillo a la orilla del mar sabe que agregar agua a la arena mejora la estabilidad. Sin embargo, las mediciones del aumento de la estabilidad suelen contrastar con los datos teóricos y también entre sí" (Arshad Kudrolli, coordinador del estudio, Clarin.com).

Con anterioridad a este estudio no había una fórmula precisa de cuánta agua y cuánta arena era necesario mezclar. Los investigadores de Clark lograron demostrar de qué manera el agua estabiliza la arena.

Este tema podría tener importantes implicancias para quienes están preparándose para enfrentar desastres naturales, como huracanes, donde el agua avanza por la superficie terrestre. Y es que al estudiar la física de los materiales granulares se abordan problemas relativos a la separación de los materiales que forman pastas con agregado de líquidos, y a la manera en que se deslizan o desplazan los residuos.

Los experimentos de los investigadores de Massachusetts demostraron también que cuando una construcción de arena se desploma, la causa no es la caída de granos aislados, sino la caída de un bloque completo. Esos bloques tienen medidas características o por lo menos presentan elementos comunes en lo relativo al largo.

El estudio fue sólo el primer paso en un intento por comprender cuál es el ángulo más estable en el que es posible construir, por ejemplo, un muro de contención, y si llegara a fallar, dónde terminaría todo ese material o qué cantidad de tierra se perdería.

La física de los castillos de arena

Físicamente hablando, los castillos de arena están construidos de granos, es decir, 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.

Cuando los niños construyen un castillo de arena, comienzan juntando agua del mar. Eso sí, no demasiada agua, sólo lo suficiente para hacer que la arena se pegue sin que el agua se filtre. Luego compactan la arena húmeda dentro de un balde, y lo dan vuelta para construir la base resistente de una torre. 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!.

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. Pero ¿cuánta agua? Los científicos llegaron a la fórmula perfecta: ocho medidas de arena por una de agua.

Cuando se convierte en arena movediza

No obstante, la arena mojada sigue desconcertando a los científicos.

Y es que, por ejemplo, cuando se produce un terremoto, el suelo húmedo que se encuentra por debajo de la superficie a veces se "licúa", y se convierte repentinamente en algo parecido más a arenas movedizas que a la pared sólida y resistente de un castillo de arena. Esta transición es rápida y poco comprendida.

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. Esta repentina compresión reduce la presión entre granos de arena individuales.

Gracias a experimentos realizados por la NASA en el marco de la investigación llamada "Mecánica de Materiales Granulares III", se descubrieron importantes pistas sobre el comportamiento de la arena bajo compresión, como por ejemplo propiedades de resistencia que son casi dos veces mayores de lo que normalmente se habría estimado. Esto 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, la resistencia desaparece por completo.

Entender el proceso de licuefacción del suelo ayudará a los ingenieros a decidir si un lugar es seguro para la construcción. Los beneficios prácticos de estos experimentos se extenderán más allá de los suelos. El grano de arena es 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.