¡Recreando un terremoto en un vaso de plástico! El tamaño del grano decide la licuefacción del suelo
Soy Ken Kuwako, Science Trainer. Every day is an experiment.
¿Alguna vez has visto en las noticias de un terremoto imágenes de edificios que, a pesar de parecer perfectamente sólidos, se inclinan, o de alcantarillas que de repente salen disparadas del suelo? La causa puede ser la licuefacción del suelo, un fenómeno en el que el terreno llega a comportarse casi como un líquido. Esta vez, vamos a reproducir este fenómeno con algo tan sencillo como unos vasos de plástico, en un experimento que también puede hacerse fácilmente en el aula.
Realizamos el experimento de licuefacción utilizando vasos de plástico. Dentro de los vasos preparamos arena, tierra con partículas más pequeñas que las de la arena y grava con partículas más grandes. Llenamos un vaso de precipitados de 100 ml con arena y fuimos trasladándola a los vasos de plástico. Preparamos un total de 20 vasos.
Preparación del experimento y cómo provocar un terremoto
Añadimos agua a la arena de los vasos hasta humedecerla por completo. Si aparece agua en la superficie, la retiramos suavemente con un pañuelo de papel, dejando la superficie seca. Después, provocamos un pequeño “terremoto” moviendo los vasos de un lado a otro.
Como tenemos 10 grupos, repartimos dos vasos a cada grupo y hacemos que solo uno de ellos sea sometido a las sacudidas.
Antes de agitarlo
Después de agitarlo
Como pueden ver, después de agitar la arena, el agua comienza a aparecer en la superficie. Pero aquí está el detalle interesante: la altura de la arena es prácticamente la misma antes y después de agitarla.
“La altura parece la misma, pero solo el agua sale a la superficie”. ¿Por qué?
En realidad, el hecho de que “la altura no cambie” es precisamente una de las claves para entender qué ocurre durante la licuefacción. Entre los granos de arena existen pequeños espacios que contienen agua, conocida como agua intersticial. Cuando el suelo está en reposo, los granos de arena se encajan entre sí y se sostienen firmemente, mientras el agua queda atrapada en esos pequeños espacios.
Pero cuando llega una sacudida lateral, la estructura formada por los granos se desestabiliza por un instante y estos comienzan a moverse con mayor facilidad. Como consecuencia, el agua que estaba atrapada entre los granos es empujada hacia arriba y acaba saliendo a la superficie.
Es decir, aunque el volumen total del material —y por tanto su altura— apenas cambie, el agua, que ha perdido parte del soporte que tenía entre los granos, asciende hacia la superficie. Ese es, en pocas palabras, el mecanismo de la licuefacción.
El tamaño de las partículas lo cambia todo
Cuando hacemos el mismo experimento con tierra, la licuefacción apenas se observa…
Con grava, la licuefacción prácticamente no se produce.
Lo curioso es que la licuefacción no ocurre fácilmente ni cuando las partículas son mucho más pequeñas que las de la arena ni cuando son mucho más grandes. ¡La naturaleza tiene sus matices!
Este resultado nos muestra una característica geológica importante: la licuefacción tiende a producirse bajo ciertas condiciones de tamaño de partícula. En los suelos con partículas muy finas, como los suelos fangosos, los granos tienden a mantenerse unidos debido, entre otras cosas, a fuerzas eléctricas. Además, los espacios entre las partículas son extremadamente pequeños, por lo que al agua le cuesta desplazarse a través de ellos. Por eso, incluso cuando el suelo tiembla, el agua no sale fácilmente a la superficie.
Por otro lado, la grava tiene espacios relativamente grandes entre sus partículas, pero sus granos rugosos se enganchan y encajan fuertemente entre sí. Por eso, una sacudida moderada no basta para desestabilizar la estructura.
La arena se encuentra justo en medio: tiene un tamaño de partícula que combina una cierta facilidad para desestabilizarse con una buena capacidad para permitir el movimiento del agua. Por eso es especialmente susceptible a la licuefacción. De hecho, en los terremotos reales, muchos de los daños por licuefacción se han observado en terrenos arenosos de zonas ganadas al mar y en áreas cercanas a ríos. El tamaño de las partículas del suelo tiene mucho que ver con ello.
Este es otro experimento que realizamos utilizando un acuario. Permite hacer una demostración mucho más espectacular que con vasos de plástico, aunque preparar uno para cada grupo requiere un poco más de trabajo.
Antes de agitarlo.
Después de agitarlo.
Arena y barro: dos “suelos” que reaccionan de maneras muy diferentes
También probamos a sustituir la arena por barro y realizamos el mismo experimento. El resultado fue claro: en comparación con la arena, el barro mostró mucha menos licuefacción.
Así se veía el barro antes de agitarlo.
Después de agitarlo.
A simple vista, tanto la arena como el barro parecen similares porque ambos forman parte del “suelo”. Sin embargo, el tamaño y la composición de sus partículas son muy diferentes, por lo que también lo es su comportamiento frente a los terremotos.
Este sencillo experimento demuestra algo fascinante: basta con cambiar un vaso de plástico o sustituir un tipo de partícula por otro para que el resultado cambie por completo. El suelo que pisamos todos los días, y al que normalmente no prestamos ninguna atención, se sostiene en realidad gracias a un delicado equilibrio.
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