Un ingeniero geotécnico explica cómo el agua, el aire y la arena crean estructuras sólidas
Si deseas comprender por qué algunos castillos de arena son altos y tienen intrincadas estructuras, mientras que otros son grumos de arena casi sin forma, es útil tener experiencia en ingeniería geotécnica.
Como educador de ingeniería geotécnica, Joseph Scalia usa castillos de arena en el aula para explicar cómo las interacciones del suelo, el agua y el aire hacen posible la reconstrucción de paisajes después de extraer metales críticos para la transición energética.
"Construir un castillo de arena se reduce a la combinación correcta de esos tres ingredientes", dice Scalia. La arena proporciona la estructura, pero es el agua entre los granos de arena la que proporciona la fuerza, en este caso, la succión, que mantiene unida la arena. Y sin la cantidad adecuada de aire, el agua simplemente separaría los granos de arena.
Imagen: Construir un castillo de arena requiere encontrar la combinación adecuada de aire, agua y arena. Tony García/Piedra
No vale cualquier arena
Los granos de arena, de acuerdo con el Sistema de clasificación de suelos unificado de ASTM International, son partículas de suelo que tienen un diámetro de 0,003 pulgadas (0,075 mm) a 0,187 pulgadas (4,75 mm). Las arenas, por definición, tienen al menos la mitad de sus partículas en ese rango. El limo o arcilla es suelo con partículas más pequeñas que el tamaño de la arena. Y el suelo con partículas más grandes que el tamaño de la arena es grava.
El tamaño de las partículas, o granos, también determina la apariencia y el tacto de la arena. Los granos de arena más pequeños tienen una textura casi como azúcar en polvo. Los granos más grandes se parecen más al tamaño de pequeñas lentejas secas.
La mayoría de la arena servirá para construir un castillo de arena, pero la mejor arena tiene dos características: granos de arena de diferentes tamaños y granos con bordes angulares o ásperos. La variación en el tamaño del grano permite que los granos de arena más pequeños llenen los bolsillos o poros entre los granos de arena más grandes. El resultado es una mayor resistencia de la arena.
Los granos de arena que son más angulares, con esquinas afiladas en ellos, se unen mejor, lo que hace que el castillo de arena sea más fuerte. Es la misma razón por la que una pila de bloques angulares de madera permanecerá en un montón, pero una pila de canicas se desmoronará.
Esta es también la razón por la que, sorprendentemente, la mejor arena para hacer castillos de arena no suele encontrarse en una isla o en una playa costera. Los granos de arena más angulares generalmente se encuentran más cerca de las montañas, su fuente geológica. Estos granos de arena aún no han tenido sus bordes redondeados por el viento y el agua. Los constructores de castillos de arena profesionales llegarán incluso a importar arena de río para sus creaciones.
Imagen: La mejor arena para hacer castillos de arena está más cerca de las zonas montañosas que de la playa. El viento y el agua aún no han redondeado los extremos y los bordes de los granos de arena. Patrick Lienin/Momento
Finalmente, cuanto más juntos estén los granos de arena, más fuerte será la arena. Presionar la arena húmeda con fuerza, mediante compactación o apisonamiento, aprieta los granos de arena, disminuyendo el tamaño de los poros y aumentando el efecto que puede tener el agua. La compactación también aumenta el entrelazamiento de los granos y, en consecuencia, la resistencia de la arena.
El agua es clave
Sin agua, la arena simplemente forma una pila. Demasiada agua y arena fluye como líquido. Pero entre la arena seca y la arena saturada se encuentra una amplia gama de niveles de humedad que permiten la construcción de castillos de arena.
El agua es cohesiva, lo que significa que al agua le gusta adherirse al agua. Pero el agua también se adhiere o trepa por ciertas superficies. Mira un vaso de agua medio lleno y verás que el agua sube un poco por el interior del vaso. La gravedad todavía retiene el agua en el vaso, pero el agua está tratando de trepar y mojar la superficie. Esta pequeña lucha de poder es lo que hace posibles los castillos de arena.
Justo donde se juntan el aire y el agua, hay tensión superficial. La interfaz aire-agua tira hacia abajo, tratando de mantener el agua unida frente a las fuerzas en competencia de la humectación de la superficie, la cohesión y la gravedad. La tensión superficial une el agua como la piel tensa de un globo. Y la tensión superficial también une los granos de arena.
Si el vaso fuera mucho más delgado, como una pajilla, el agua subiría más y tendría más tensión superficial. Cuanto más estrecha sea la paja, más alto subirá el agua. Este fenómeno se llama capilaridad.
El agua se comporta de la misma manera en la arena mojada. Los poros, o espacios, entre los granos de arena son como un puñado de pajillas muy pequeñas. El agua forma pequeños puentes entre los granos. El agua en estos puentes está bajo tensión, juntando los granos por una fuerza que los ingenieros geotécnicos llaman tensión de succión.
Imagen: ¿Sabías que la succión es una de las fuerzas que mantienen unida esta escultura de arena? El Coleccionista de Instantes Fotografía & Video/Flickr, CC BY-SA
Suficiente agua
La cantidad de agua en la arena controla el tamaño y la fuerza de los puentes de agua. Muy poca agua equivale a pequeños puentes entre los granos de arena. Más agua, y crece el tamaño y el número de puentes, aumentando la succión que mantiene unidos los granos de arena. El resultado es arena perfecta para castillos de arena.
Sin embargo, demasiada agua y la succión es demasiado débil para mantener la arena unida.
Una regla general para construir grandes castillos de arena es una parte de agua por cada ocho partes de arena seca. Sin embargo, en condiciones ideales en un laboratorio, con arena densa y cero evaporación, una parte de agua por cada cien partes de arena seca puede producir maravillas. En una playa, la arena con el nivel de humedad adecuado está cerca de la línea de marea alta cuando la marea está baja.
Por cierto, la sal del agua de mar también puede ser de gran ayuda para la estabilidad de los castillos de arena. Las fuerzas capilares mantienen unidos los granos de arena inicialmente, pero el agua capilar eventualmente se evaporará, particularmente en un día ventoso. Cuando el agua de mar se seca, queda sal. Como el agua de mar formaba puentes entre los granos, la sal cristaliza en estos puntos de contacto. De esta manera, la sal puede mantener en pie un castillo de arena mucho después de que la arena se haya secado. Pero ten cuidado de no perturbar la arena salada; es frágil y plegable.
Para construir un castillo de arena fuerte, compacta arena y un poco de agua lo más fuerte que puedas. "Prefiero crear un montículo denso y luego sacar y tallar para revelar el arte que hay dentro", dice Scalia. "También puedes compactar la arena en cubos, tazas u otros moldes y construir desde cero. Solo asegúrate de que la arena sea densa y coloca el molde sobre una base compactada. Las manos son una excelente herramienta para compactar y tallar, pero una pala o una concha marina permitirán una mayor precisión. ¡Diviértete y no tengas miedo de ponerte arenoso!".
