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La scienza della sabbia

Con la sabbia si possono fare le cose più diverse: c'è chi la usa per creare spettacolari sculture, chi la surfa come fosse neve e chi, come Ken Kamrin, la studia per capire come si muove.
Kamrin è un ricercatore del MIT e insieme ad alcuni colleghi ha recentemente messo a punto il primo modello matematico in grado di descrivere il moto dei granelli di sabbia all'interno di una clessidra. Lo studio, in apparenza teorico e destinato a rimanere chiuso nei testi scientifici, ha in realtà numerosi risvolti pratici: dal trattamento industriale delle granaglie e dei cereali alla progettazione degli pneumatici per le auto e per i veicoli destinati all'esplorazione di pianeti sconosciuti. (Le più belle foto del deserto)

Kamrin e il suo team sono partiti da un'osservazione banale: come mai quando si gira una clessidra i granelli si comportano in maniera diversa a seconda della loro posizione? Nella parte superiore sembrano immobili e simili a un solido, man mano che si avvicinano al collo dell'imbuto diventano sempre più mobili e liquidi e una volta raggiunto il fondo dell'ampolla schizzano in ogni direzione, scontrandosi tra loro come molecole di gas.
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Gli attuali modelli che descrivono sistemi di questo tipo sono di fatto inutilizzabili, perché analizzano il comportamento del materiale granello per granello: il risultato sono insiemi di equazioni così complessi da risultare indigeribili anche al più evoluto dei supercomputer.

Per semplificare la questione Kramin e colleghi hanno diviso la sabbia all'interno della clessidra in tanti cubetti, riducendo così la quantità di elementi da analizzare. Il modello funziona perché ogni cubetto, pur essendo molto grande rispetto al singolo granello di sabbia, è comunque piccolo rispetto al volume complessivo del materiale. Introducendo un sistema di variabili che tiene conto delle dimensioni del singolo granello e della sua motilità, gli scienziati sono riusciti a ottenere un'insieme di equazioni che descrive con un livello di precisione mai ottenuto prima il moto di una frana che si stacca da un pendio ma anche quello dei cereali o dei composti chimici che si muovono lungo le linee di produzione di un'azienda alimentare o farmaceutica.

"Negli impianti industriali agroalimentari il 40% delle energie va sprecato perché non si riesce a ottimizzare la gestione di materiali granulari. Stiamo parlando una quantità enorme di energia: secondo alcune stime il 10% di tutta quella consumata nel mondo" spiega Kramin.
Non solo: questo modello aiuterà le agenzie spaziali a realizzare ruote più efficienti per i veicoli che nei prossimi anni verranno inviati ad esplorare nuovi mondi. "Se il nostro algoritmo fosse stato pronto qualche anno fa, avrebbe forse potuto evitare che il Mars Exploration Rover rimanesse impantanato tra le sabbie del pianeta rosso" conclude lo scienziato.

Image credit: NASA/JPL-Caltech/ASU

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