LA SABBIA, NATURA AMBIGUA Ha le proprietà di un solido e di un liquido
I bagnanti corrono sulla spiaggia e si tuffano tra le schiume del mare: è una scena consueta delle vacanze estive, che tutti speriamo di poter rivedere presto, appena arriverà la stagione delle vacanze. Ma fermiamoci un momento a pensare e a riflettere: perchè la gente affonda nell'acqua e la fende senza difficoltà, ma lo stesso non accade per la sabbia? La prima risposta che viene in mente, per la verità piuttosto banale, è: “perchè la sabbia è solida e l'acqua è liquida”. Un attimo di attenzione in più mostra però che la sabbia è un solido di natura un pò speciale: infilandoci dentro un dito, si riesce a farlo penetrare agevolmente per qualche centimetro. Provate a fare lo stesso con un pezzo di legno: niente da fare. Inoltre molti tipi di sabbia, al pari dei liquidi, non hanno una forma propria ma assumono quella dei recipienti che li contengono. Dunque la sabbia è un solido, o un tipo molto particolare di liquido, oppure qualcosa di intermedio con proprietà dell'uno e dell'altro?
Se prendiamo un cilindro contenente una sostanza allo stato liquido e la comprimiamo con un pistone, troviamo che l'aumento di pressione si distribuisce uniformemente su tutte le pareti e sui corpi immersi e che la forza prodotta è perpendicolare a tutte le superfici. Prendiamo invece un corpo solido, che contenga un altro corpo di una sostanza diversa, e comprimiamolo esternamente da tutte le direzioni. La forza che agisce sul corpo interno avrà una componente perpendicolare alla superficie, ma anche una componente parallela ad essa. E nella sabbia cosa succede? In un mezzo granulare la forza parallela alla superficie non è nulla, come nei solidi, però dipende dalla pressione del mezzo circostante. Ecco dunque spiegato perchè, quando infiliamo un dito nella sabbia, dopo qualche centimetro facciamo piu' fatica: perche' in superficie la pressione esterna è debole e la sabbia si comporta come un fluido, ma poi scendendo in profondità la pressione aumenta e il mezzo diventa sempre più solido.
Per comprendere i meccanismi fisici che spiegano il comportamento della sabbia si possono eseguire complesse simulazioni al calcolatore, in cui il mezzo viene rappresentato da un insieme di sferette incompressibili e di dimensioni variabili, sottoposte a una forza esterna. Il risultato mostra che le forze che si esercitano fra un granello e l'altro si dividono in due tipi: quelle la cui intensità è superiore all'intensità della forza media, e quelle che invece hanno un'intensità inferiore.
Se si evidenziano e si uniscono i punti di contatto nei quali agiscono le forze più intense, si trova una vera e propria “rete” all'interno del mezzo. Se invece si studiano le forze meno intense della forza media, si trova una seconda "rete" che si sovrappone alla prima. La ragione di questa differenza può essere compresa pensando che lunghe successioni di granelli allineati possono trasmettere forze anche molto intense. Quelli che però sono leggermente spostati dall'allineamento sono costretti a trovare un sostegno laterale nei granelli circostanti, esercitando forze più deboli che si trasmettono e si ridistribuiscono nel resto del mezzo. La “rete” delle forze più intense trasmette i tre quarti della pressione e tutta la componente delle forze non perpendicolare alle superfici. Essa si comporta dunque come un solido. Le forze più deboli trasmettono invece un quarto della pressione e non hanno una componente parallela alle superfici. La “rete” corrispondente puo' dunque essere assimilata a un fluido.
In definitiva, la sabbia assomiglia un pò ad una spugna, nella quale una fase liquida coesiste con una fase solida. Però in una spugna il solido e il liquido sono nettamente distinti, mentre nella sabbia sono sempre gli stessi grani che, a seconda che facciano parte della “rete” delle forze intense o di quella delle forze deboli, appartengono al solido o al liquido. Anzi, basta deformare anche poco il mezzo perchè i grani passino improvvisamente dal solido al liquido e viceversa. E ora che i segreti della sabbia sono stati svelati, appena arriverà la buona stagione potremo tornare a correre allegramente sulla spiaggia.
CAGNOTTI MARCO (Tratto da Tuttoscienze - La Stampa)
