¿Quieres construir un súper castillo de arena? Acepte esta guía definitiva | Columna de Physics World

Figura 1 Súper castillo de arena | Fuente: guinnessworldrecords.com

Construir un castillo de arena es una de las pequeñas cosas divertidas de vacacionar en la playa, pero realmente ¿Entiendes la ciencia detrás de estas estructuras? Tome sus baldes y palas y exploremos el maravilloso mundo de la ciencia de la arena.

Escrito por Ian Randall

Traducido por Zhao Jinyu

Revisado y traducido por Yu Mingqian

Editor | Feng Hao

Bajo el cielo azul claro, un búnker incomparable se eleva hacia el cielo. El centro del edificio tiene forma de pirámide, con docenas de chapiteles y torres de diversas formas y diseños que brotan de las almenas y contrafuertes circundantes. Hay un muro reforzado alrededor de los cimientos, un dragón alerta flota detrás de él y cerca hay un faro.

No, no os emocionéis, no estamos hablando del diseño de la nueva sede de Physics World, sino de una enorme escultura que recientemente batió el récord mundial Guinness - el castillo de arena más alto jamás construido. El castillo de 32 metros de ancho y 21,16 metros de alto (ver Figura 1) fue construido por el artista holandés Wilfred Stijer y su equipo de más de 30 escultores utilizando 4.860 toneladas de arena. Con la ayuda de un elaborado andamio de madera, el castillo se completó en julio de 2021 en el pueblo costero danés de Blokhus, en el norte de Jutlandia. Una vez terminado, los constructores aplicaron una capa de pegamento en su superficie y esperaban que el súper castillo de arena estuviera expuesto a los visitantes hasta la próxima helada fuerte en febrero o marzo del próximo año.

Pero trabajar con arena no es tan fácil como parece. Antes de que Steyer y su equipo tuvieran éxito, el castillo de arena más alto del mundo fue construido en la localidad costera alemana de Binz por otro escultor de arena holandés, Thomas van den Dungen, con una altura de 17,65 metros. Dungan participó una vez en la creación de la escultura de arena más larga del mundo (27,3 kilómetros) y también construyó la mayor cantidad de castillos de arena (2230) en una hora. Es un verdadero maestro de la arena.

Sin embargo, los dos intentos anteriores de Dungan de batir el récord del castillo de arena más alto han fracasado: un edificio se derrumbó días antes de su finalización y la construcción del otro fue bloqueada por un grupo de Interrupción por golondrinas costeras, una especie protegida que anida en las obras de construcción. Mientras está de vacaciones en la playa, a nadie se le ocurriría llegar tan lejos para intentar batir un récord mundial. Pero, ¿puede la ciencia decirnos cómo construir el castillo de arena perfecto?

Comencemos con Matthew Bennett, un científico ambiental de la Universidad de Bournemouth en el Reino Unido. En 2004, Teletext Holidays le encargó a Bennett identificar las mejores playas del Reino Unido para construir castillos de arena. Diferentes playas tienen diferentes tipos de arena, por lo que su trabajo es descubrir qué arena es mejor utilizar.

Bennett equipó a sus alumnos con cubos y palas, los envió a 10 de las playas más populares del Reino Unido y les enseñó a nadar en cada una de ellas. Recolectó muestras de arena desde arriba. Una vez que los estudiantes llevaron la arena al laboratorio, su equipo la secó, la vertió en vasos de precipitados, añadió agua y puso boca abajo cada recipiente lleno.

Bennett explica: "Luego pusimos peso en la parte superior de cada 'castillo experimental' y registramos el peso total que podía soportar antes de que colapsara".

Investigación El equipo descubrió que el La clave para construir un castillo de arena fuerte era mezclar un balde de agua por cada ocho baldes de arena. Esta relación de volumen de 8:1 es la misma en los 10 lugares de prueba. De hecho, cuando la marea está alta y el agua está más cerca de la costa, la relación de volumen de arena y agua en la playa real también es aproximadamente la misma.

Según Bennett, esta proporción perfecta garantiza que el agua solo se una a la arena en lugar de actuar como lubricante. Si hay demasiada agua, el edificio fluirá y se derrumbará, que es lo que sucede cuando los castillos de arena se encuentran con su enemigo natural, la marea; por el contrario, si hay muy poca agua, la arena (el edificio) se desmoronará.

De hecho, la resistencia de un montón de arena depende de dos factores. La primera es la estructura de las partículas individuales. Los granos que son más angulares e irregulares estarán más juntos que los que han sido redondeados por el transporte a larga distancia, molidos por el viento y las olas. Por eso la arena que contiene muchos fragmentos diminutos y angulosos de conchas es mejor para construir fuertes castillos de arena, explica Bennett. Otro factor más importante es el contenido de agua. Cuanto más pequeñas son las partículas, mayor es la cantidad de agua que pueden contener.

Después de una investigación, Bennett nombró a Torquay, en el suroeste de Inglaterra, como el mejor lugar del Reino Unido para construir castillos de arena, gracias a lo que llamó “Encantadora arena roja”. Le sigue Bridlington en East Yorkshire, con Bournemouth, Great Yarmouth y Tenby en tercer lugar. “Fue un experimento simple pero efectivo”, recuerda Bennett, quien explica que todavía ve el estudio como un intento interesante de comprender conceptos geológicos.

Sin embargo, admite que, en principio, cualquier arena puede usarse para construir castillos de arena y eligió la arena roja de Torquay como base para su estudio de 2004, Un ganador”, en. en gran parte por su atractiva estética. No sólo eso, estas arenas "campeonas" se originaron hace más de 200 millones de años, cuando Gran Bretaña todavía se encontraba en un desierto más grande que el Sahara, ubicado tierra adentro de Pangea. Por lo tanto, la arena de Torquay tiene muchas partículas finas y estas partículas mejoran su cohesión.

Para los físicos, un castillo de arena es simplemente una mezcla de partículas compactadas (arena) y una estructura formada líquida (agua o agua de mar). Pero, ¿cómo ayuda esta agua a que las partículas de arena se peguen? La respuesta está en la tensión superficial de la película de agua que se forma entre las partículas. Al igual que la superficie de un líquido en un tubo de ensayo se dobla en los bordes debido a la adhesión entre el vidrio y el líquido, el agua forma pequeños "puentes capilares" entre los granos de arena. Estos puentes atraen los granos de arena entre sí, reduciendo el área de superficie entre el agua y el aire y aumentando al mismo tiempo el área de superficie entre el agua y la arena atraída.

Ahora bien, si bien la mejor proporción de arena y agua para tallar puede ser 8:1, resulta que en una amplia gama de contenidos de agua, la arena húmeda es estable, como un sólido. Había algo aparentemente extraño en las fuerzas que mantenían unida la arena, lo que inspiró al físico Stephan Heminghaus del Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización en Göttingen, Alemania (Stephan Herminghaus), quien realizó un estudio en profundidad de este fenómeno.

En lugar de estudiar la arena en sí, él y su equipo utilizaron un modelo de cuentas de vidrio húmedas que eran similares en tamaño y forma a la arena.

Utilizando microscopía de tomografía de rayos X, una técnica que produce imágenes transversales digitales sin destruir el objeto, los investigadores pudieron generar imágenes en 3D de las cuentas y examinar qué pasaría si se mezclaran con más agua. (A medida que aumenta la cantidad de agua), los puentes microcapilares que inicialmente conectan las dos partículas separadas comienzan a crecer y fusionarse, formando gradualmente una estructura cada vez más compleja que parece una cadena de pestañas de latas pegadas (Figura 2).

Figura 2 Castillo de arena en el laboratorio | Fuente: Reimpreso con autorización de Springer Nature: Nature Materials 7 189 2008

Para simular la unión del agua en granos de arena, dirigido por el físico Stephan Herminghaus del Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización en Göttingen, Alemania. El equipo, utilizando microscopía de tomografía de rayos X, creó imágenes en 3D de perlas de vidrio húmedas. (a) Modelo informático de estas cuentas (amarillo) que muestra los "puentes capilares" 3D (azul) que atraen las cuentas, creando la misma atracción en arena real. (b) A medida que aumenta la cantidad de agua entre las partículas (de izquierda a derecha), se forman más puentes capilares (áreas blancas).

A medida que los puentes capilares se hacen más grandes, su superficie de contacto con las partículas de arena también se hace más grande, aumentando el efecto de retención de agua ya que las partículas de arena son atractivas para el agua. Al mismo tiempo, sin embargo, el arco cóncavo del puente capilar se vuelve menos pronunciado, por lo que disminuye la presión negativa del agua. Es la presión negativa del agua la que hace que las partículas se agrupen, por lo que reducir la presión negativa del agua hará que sea menos probable que las partículas se agrupen.

Los dos efectos se contrarrestan entre sí, lo que significa que a medida que se añade más agua, la "arena" en estos experimentos mantiene la misma viscosidad. Sin embargo, este patrón se rompe una vez que el agua ocupa el 15% de la pila de arena, o el 35% del total de poros disponibles entre los granos de arena. Más allá de este límite, el montón de arena comienza a perder fuerza.

Los investigadores señalaron en un artículo de 2008 [1]: "El contenido líquido casi no tiene ningún efecto sobre las propiedades mecánicas de la pila de arena. Esto se debe a la organización especial de el líquido en la pila de arena se forma una estructura abierta." En otras palabras, ahora sabemos por qué no se necesita mucha agua para construir castillos de arena altos: todo gracias a pequeños puentes capilares que actúan como pegamento entre los granos de arena.

Pero, ¿existe un límite teórico a la altura que se puede construir un castillo de arena? En 2012, Daniel Bonn, físico de la Universidad de Ámsterdam (Países Bajos), comenzó a estudiar este problema con sus colegas. Vertieron distintas cantidades de arena húmeda en cilindros de plástico de diferentes diámetros y luego cortaron los moldes para ver qué altura podían alcanzar los cilindros antes de colapsar.

El equipo descubrió que las columnas colapsan cuando se doblan elásticamente bajo su propio peso. Ante esto, los investigadores determinaron que la altura máxima posible de una columna de arena aumenta en proporción a la potencia de 2/3 del radio de la base de la columna de arena. Si haces algunos cálculos al azar, encontrarás que para construir un pilar de arena que sea el doble de alto que tu amigo, necesitas tener un radio

veces mayor que el de tu amigo. Al mismo tiempo, basándose en la medición del módulo de elasticidad de la arena húmeda, concluyeron que la pila de arena puede alcanzar su resistencia óptima cuando la fracción de volumen de líquido es de aproximadamente el 1%.

Figura 3 Altura máxima (Fuente: Mehdi Habibi)

Universidad de Ámsterdam, Países Bajos, dirigida por Daniel Bonn Los investigadores vertieron arena húmeda en cilindros de plástico y encontró que la altura máxima posible de una columna de arena era proporcional a la potencia de 2/3 del radio de su base.

Sin embargo, esta cifra difiere de las proporciones encontradas por Bennett con un cubo y una pala, lo que quizás no sea sorprendente ya que los castillos de arena reales no suelen ser las columnas en la forma del estudio de Bonn. , pero cónico. Después de todo, como reveló un estudio de simulación publicado el año pasado por Wenqiang Zhang de la Universidad de Zhengzhou, los castillos de arena cónicos tienen la mayor estabilidad.

Cuando se le preguntó qué consejos prácticos podría compartir con los escultores de castillos de arena en ciernes, Bonn dijo que la compactación es la clave para la estabilidad. Es por eso que los constructores profesionales de castillos de arena suelen utilizar una máquina "golpeadora" para compactar mecánicamente la arena y luego estamparla repetidamente sobre la arena. Compactar la arena ayuda a acortar sus puentes capilares, fortaleciendo el castillo de arena.

También son útiles las arenas polidispersas que contienen una variedad de tamaños de partículas. Si bien pensamos que la arena está hecha únicamente de cuarzo, para los geólogos el término se refiere a cualquier partícula de roca rota de entre 62,5 micrones y 2 milímetros de tamaño. Los constructores de castillos de arena profesionales a menudo prefieren tallar en "arena de río", que contiene partículas de arcilla más finas que varían en tamaño desde 0,98 micrones hasta 3,9 milímetros. Según Bonn, las partículas pequeñas en la arena de los ríos utilizan el espacio de manera eficiente, empaquetándose en los espacios entre partículas más grandes, creando más puentes capilares y una estructura más fuerte.

En otras palabras, la arcilla actúa como un aglutinante entre partículas, incluso cuando hay poca o ninguna agua. Pero si no se dispone de arena de río, se pueden obtener efectos similares utilizando agua de mar. A medida que el castillo de arena se seca, los cristales de sal que se depositan en la arena actúan como pegamento. Este es un beneficio adicional de construir un castillo de arena en la playa.

Sin embargo, incluso si no hay un océano cercano que retenga la humedad, las partículas de arena se condensan espontáneamente a medida que el vapor de agua se condensa dentro del material poroso y entre superficies adyacentes. También se forman puentes capilares entre ellas. Este fenómeno se denomina "condensación capilar" y afecta no sólo a la adherencia sino también a diversas propiedades como la corrosión y la fricción. De hecho, los antiguos egipcios pueden haberse beneficiado inadvertidamente de los puentes capilares al verter agua sobre arena para facilitar el transporte de artefactos de piedra pesados ​​(Figura 4).

Figura 4 Regando como los egipcios (fuente de la imagen Sir John Gardner Wilkinson, 1854)

Si construir un castillo de arena no satisface su deseo de construirlo, no No te preocupes, la arena y el agua también se pueden utilizar para construir estructuras más complejas. Un equipo de investigación dirigido por Daniel Bonn, físico de partículas de la Universidad de Ámsterdam, señaló en un artículo de 2014 [3] que los antiguos egipcios utilizaban agua para endurecer la arena del desierto. Este material duro facilitó a los egipcios el movimiento de trineos que transportaban piedras pesadas al construir las pirámides y otros monumentos masivos.

La idea se inspiró en un mural de hace unos 3.900 años que decoraba las paredes de la tumba de Djehutihotep. Jehutihotep fue uno de los cónsules (o gobernadores) más influyentes del Reino Medio de Egipto entre 2050 y 1780 a.C. El mural muestra una estatua de Jehutihotep de cuatro personas de altura siendo arrastrada a través del desierto en un trineo por 172 trabajadores.

Curiosamente, en el mural, el hombre situado delante del trineo está regando la arena por donde el Coloso está a punto de pasar, mientras otros dos esclavos le reponen el agua.

Los egiptólogos siempre habían pensado que este extraño comportamiento era un ritual, pero Bonn y sus colegas demostraron experimentalmente que agregar una cierta cantidad de agua a la arena puede formar "puentes capilares" microscópicos que endurecen la arena.

El puente capilar reduce el coeficiente de fricción de la arena a la vez que evita que la arena se acumule delante del trineo o permita que se hunda en la arena. Específicamente, el equipo descubrió que cuando el contenido de agua de la arena alcanza aproximadamente el 5%, el coeficiente de fricción dinámica se reduce a la mitad. Sin embargo, la fricción aumentará cuando el contenido de agua sea mayor, y cuando el contenido de agua sea del 10%, incluso excederá el coeficiente de fricción dinámica de la arena seca.

La condensación capilar suele describirse mediante una ecuación propuesta en 1871 por el físico y matemático británico William Thomson (más tarde Lord Kelvin). Esta ecuación conecta propiedades macroscópicas como la presión, la curvatura y la tensión superficial. Sin embargo, esta ecuación también es válida a escala microscópica. De hecho, ha demostrado ser sorprendentemente preciso incluso a escalas de alrededor de 10 nanómetros.

Para explorar la causa de este fenómeno, un equipo liderado por el premio Nobel Andre Geim, físico de la Universidad de Manchester, creó recientemente lo que puede ser el más pequeño tubo capilar todavía. Algunos tienen sólo la altura de un solo átomo y están hechos de capas atómicamente gruesas de mica y grafito separadas por finas tiras de grafeno. Heim y su equipo descubrieron que estos capilares extremadamente pequeños sólo pueden contener una capa de moléculas de agua [4].

Al estudiar la condensación en estos capilares, el equipo se dio cuenta de que incluso a escala molecular, la ecuación de Kelvin todavía proporcionaba una buena descripción cualitativa de los cambios estructurales en el agua que se vuelven más discretos y. jerárquico, sus propiedades también cambiarán. Yang Qian[5], el primer autor del artículo, dijo: "Esto me sorprende. Pensé que la física tradicional fallaría por completo a esta escala, pero no esperaba que la antigua fórmula todavía funcionara".

Sin embargo, según el equipo de investigación, la coherencia entre las ecuaciones cualitativas y la realidad también es contingente. La condensación capilar a la humedad ambiental puede generar presiones de aproximadamente 1.000 bares, mayor que la presión en el fondo marino más profundo de la Tierra. Esta presión podría agrupar las partículas en el castillo de arena, pero en los experimentos de los investigadores también provocó pequeñas deformaciones en diminutos capilares que contrarrestaban los cambios en las propiedades del agua a escala molecular.

"Las buenas teorías a menudo resultan válidas fuera de su alcance", dijo Heim. "Lord Kelvin fue un científico brillante que hizo muchos descubrimientos, pero incluso él se habría sorprendido al descubrir que una teoría se desarrolló originalmente en tubos de ensayo en la escala milimétrica, incluso en la escala de átomos individuales. De hecho, en su artículo fundamental, Kelvin afirmó claramente que esto era imposible, por lo que nuestro trabajo demuestra simultáneamente que tiene razón y que no."

Estudiando las propiedades físicas de la arena y el capilar Las fuerzas que lo mantienen unido no se trata sólo de construir los mejores castillos de arena. Por ejemplo, la técnica de imágenes desarrollada por Heminghaus y su equipo para estudiar perlas de vidrio podría aplicarse más ampliamente a las interfaces partículas-líquido-aire. Así que la investigación no sólo es útil para construir castillos de arena en la playa, sino que tiene muchas aplicaciones prácticas, desde detener la acumulación de polvo hasta mejorar nuestra capacidad para prevenir deslizamientos de tierra.

Aclarar las propiedades mecánicas de la arena verde también es beneficioso para los trabajos de construcción. Después de todo, la mayoría de las carreteras, vías férreas, casas y edificios están construidos sobre arena, pero estas estructuras deben ser estables para que duren. El agua puede fortalecer las pilas de arena, pero si bien ayuda a la estabilidad, también puede reducir la compactación.

Como cualquier ingeniero civil sabe, construir sobre arena no compactada corre el riesgo de encontrarse con “arenas movedizas”, la pesadilla de un arquitecto. Las arenas movedizas consisten en arena suelta empapada en agua que inicialmente parece sólida pero se licua y se convierte en un fluido no newtoniano cuando se altera (como cuando se sacude el suelo).

Forma una suspensión y pierde su pegajosidad, provocando que los objetos con los que entra en contacto se hundan en la arena.

Este es un problema especialmente en los Países Bajos, donde se encuentra Bonn, donde hay grandes cantidades de arenas movedizas en terrenos ganados con diques. Al no poder construir de inmediato en este terreno, conocido como "pólder", los constructores tuvieron que esperar años para que la arena se compactara antes de comenzar a trabajar. "Si la arena no está compactada, usted podría hundirse y quedarse atrapado en ella", dijo Bonn.

Así que no se apresure. Aún así, de cara a la playa, repasemos primero los puntos clave. Para construir un castillo de arena realmente impresionante:

Es mejor elegir un lugar con mucha arena fina.

Tome arena húmeda alrededor del punto de marea alta para obtener la mezcla ideal de arena y agua de 8:1.

Arena compacta húmeda para mejorar la estabilidad.

Si quieres construir una torre alta, lo mejor es tener una base amplia y luego construirla en forma de cono.

El paso final, ¡da rienda suelta a tu creatividad!

Bueno, disfruta admirando tu obra maestra... hasta que inevitablemente desaparezca.

Enlace original:

/ShowNews-15652-0-1.shtml