Introducción
Un hombre se abre paso entre la maleza de la selva, machete en mano. Un paso cae sobre lo que parece barro corriente. Su bota desaparece. Luego, la rodilla. Se agarra a una liana, la liana se rompe y la cámara se recrea en un sombrero que se posa sobre una superficie marrón y lisa, como si la tierra se hubiera tragado entera a una persona y hubiera cerrado el hueco. Esa escena, en una u otra versión, se ha repetido en cientos de películas. El tópico alcanzó su apogeo en la década de 1960: el periodista Daniel Engber, en Slate, calculó que «casi el 3 % de las películas de esa época, una de cada 35, mostraba a alguien hundiéndose en barro, en arena o en arcilla viscosa», una cifra que también cita EarthDate, el programa de la Universidad de Texas, redondeándola a una de cada 33.
La física es menos complaciente. Puedes quedarte atascado en arenas movedizas. Puedes quedar atrapado el tiempo suficiente para que te mate la marea o el agotamiento. Pero el lento engullimiento vertical, ese momento en que la superficie se cierra sobre tu cabeza, no ocurre, y el motivo se puede medir.
La formulación más clara procede de un artículo publicado en Nature en 2005 por Asmae Khaldoun, Erika Eiser, Gerard Wegdam y Daniel Bonn, de la Universidad de Ámsterdam, titulado «Liquefaction of quicksand under stress». Su informe de una sola página enuncia la conclusión sin rodeos: «una sencilla prueba de hundimiento demuestra que es imposible que un ser humano sea arrastrado por completo al interior de unas arenas movedizas».
¿Qué son las arenas movedizas?
Las arenas movedizas son arena o limo corrientes que han perdido la capacidad de soportar peso porque el agua ha llenado y puesto a presión los espacios entre sus granos.
La arena seca sostiene a una persona porque cada grano se apoya en sus vecinos. Los puntos de contacto forman cadenas de fuerza que transmiten la carga hacia el interior del terreno. Si se añade agua hasta saturar por completo los granos, la situación puede seguir siendo estable: la arena mojada de la playa, cerca de la orilla, es lo bastante firme como para circular en coche sobre ella. El peligro aparece cuando el agua entre los granos queda sometida a presión desde abajo, por un manantial ascendente, una marea que sube, una fuente artesiana o una sacudida sísmica. Cuando esa presión intersticial sube lo suficiente como para separar ligeramente los granos, la fricción que los mantenía unidos cae casi a cero. El empaquetamiento que los ingenieros describen a veces como un «castillo de naipes» se desmorona, y la mezcla que parecía suelo firme empieza a comportarse como un fluido denso.
La Britannica define las arenas movedizas como arena suelta y saturada que pierde su resistencia y se vuelve fluida en cuanto el agua atrapada ya no puede drenar, lo que da al sedimento licuado una consistencia blanda y esponjosa. El agua tiene que ser incapaz de escapar. Mientras el agua intersticial esté atrapada y a presión, los granos se separan como si flotaran y el terreno cede.
Por eso los desiertos son, en general, el lugar equivocado para buscarlas, por mucho que sugieran los dibujos animados. Las arenas movedizas necesitan agua. Aparecen allí donde el agua asciende a través de la arena: riberas de ríos, marismas, los bordes de los manantiales, abanicos aluviales y, sobre todo, llanuras mareales, donde el mar en retirada deja atrás arena saturada desde abajo. Las llanuras mareales y los sedimentos intermareales son el escenario clásico en todo el mundo, desde la bahía de Morecambe, en Inglaterra, hasta la bahía del Mont-Saint-Michel, en Francia.
La reología: por qué un pequeño empujón lo cambia todo
Las arenas movedizas pertenecen a una familia de materiales llamados fluidos no newtonianos, cuyo espesor aparente, su viscosidad, depende de la fuerza con que los empujes. El agua es newtoniana: remuévela con suavidad o con violencia y su viscosidad será la misma. Las arenas movedizas se comportan al revés que la mezcla de almidón de maíz y agua, más conocida, que se vende como juguete científico. Esa mezcla, el oobleck, es espesante por cizalla: golpéala y se endurece. Las arenas movedizas son fluidificantes por cizalla: empújalas y se vuelven líquidas. Ese comportamiento no newtoniano es lo que hace que ambas sustancias parezcan saltarse las reglas de los sólidos y los líquidos.
El grupo de Ámsterdam midió hasta qué punto es drástico este fluidificado por cizalla. Trabajando con arenas movedizas naturales en un reómetro de laboratorio, descubrieron que el material era extraordinariamente sensible a pequeños cambios en el esfuerzo aplicado. En su artículo complementario de 2006, «Quicksand!», publicado en Europhysics News, informaron de que las mediciones de viscosidad mostraban una diferencia de casi un factor de un millón entre las arenas movedizas en reposo, en su estado «sólido», y las que habían sido perturbadas más allá de su punto de inflexión.
Science, en su noticia sobre el artículo de 2005, puso cifras al desencadenante: «Un simple cambio del 1 % en el esfuerzo hizo que la viscosidad de la mezcla cayera en un factor de casi un millón, un cambio que, en esencia, convirtió las arenas movedizas de tierra firme en un líquido pegajoso». Dicho llanamente, escribieron los autores de Europhysics News, es «la diferencia entre hundirse unos pocos milímetros cada hora y hundirse a un metro por segundo».
La licuefacción es solo la primera mitad del mecanismo. Una vez que la estructura se desmorona, la mezcla se separa en dos fases: una capa rica en agua y un sedimento denso y rico en arena. Ese sedimento se compacta en torno a lo que haya quedado atrapado en él. Como la viscosidad aparente vuelve a subir por la elevada fracción de arena, el objeto atrapado queda ahora aprisionado por una pasta compacta y pesada. El material que cedía hace un momento se ha reempaquetado en algo a través de lo cual resulta mucho más difícil moverse.
La arcilla, la sal y un lago salado en Irán
¿Qué convierte una zona de arena mojada en una auténtica trampa y no en un simple punto blando pasajero? Las muestras de campo del equipo de Ámsterdam apuntan a la arcilla y la sal.
Daniel Bonn recogió las arenas movedizas naturales que estudió en un lago salado cerca de Qom, en Irán, un lugar con una siniestra fama local. Como relata el artículo de Europhysics News, «los pastores de la zona insisten en que las arenas movedizas se tragaron camellos enteros». El análisis de laboratorio de las muestras mostró que, además de arena y agua, el material contenía cantidades considerables de arcilla, del orden del 5 al 10 %, y también sal.
La arcilla es lo que mantiene en pie el castillo de naipes y luego lo hace caer de forma tan repentina. Las finas partículas de arcilla forman un gel frágil que tiende puentes laxos entre los granos de arena y mantiene unido el empaquetamiento suelto mientras permanece en reposo. El grupo de Ámsterdam lo describió como una delicada estructura coloidal cuya viscosidad aumenta lentamente con el tiempo de reposo. Si se perturba, el gel de arcilla se licúa (Bonn comparó el efecto con un yogur que se vuelve líquido al removerlo) y la estructura de soporte cede. La sal desempeña un papel secundario: ayuda a que la arcilla se agregue y favorece el sedimento denso que se forma tras el colapso. Cuando los investigadores fabricaron unas «arenas movedizas de laboratorio» sintéticas para reproducir el comportamiento de flujo del material natural, la receta fue bentonita (una arcilla expansiva) mezclada con arena y agua salada.
No todo el mundo está de acuerdo en que la sal sea imprescindible. Science citó al ingeniero civil T. Leslie Youd, de la Universidad Brigham Young, que dijo haber pisado él mismo arenas movedizas de agua dulce y cuestionó la idea de que la sal sea un ingrediente necesario. Bonn respondió que las arenas movedizas sin sal no forman el mismo sedimento atrapador y que, por tanto, probablemente son menos peligrosas. El desacuerdo importa: el mecanismo de Ámsterdam es propio de las arenas movedizas con arcilla y sal muestreadas en Irán, y en mecánica de suelos las condiciones «movedizas» en agua dulce pueden darse de forma más general allí donde la presión intersticial anula el esfuerzo entre granos.
¿Te puedes ahogar en arenas movedizas?
El mito no resiste una comparación de densidades. El cuerpo humano tiene una densidad media muy próxima a la del agua, de alrededor de 1 gramo por centímetro cúbico. Las arenas movedizas son una mezcla de agua y granos minerales, así que son bastante más densas. Para comprobar qué significa eso para un cuerpo, los investigadores de Ámsterdam hicieron un experimento de hundimiento. Colocaron sobre sus arenas movedizas unas bolitas con una densidad de 1 gramo por mililitro, igual a la densidad media del tejido humano, y perturbaron el sistema. Las bolitas se hundieron en parte y se detuvieron. Como dice el resumen del artículo de Nature, «es imposible hundir bolitas con una densidad de 1 g por ml. Así pues, los animales y los seres humanos, con una densidad media similar, no serán arrastrados por completo al interior de las arenas movedizas. Solo deberían hundirse hasta la mitad».
Es el principio de Arquímedes haciendo su trabajo de siempre. Un objeto se hunde hasta que el peso de la mezcla de arena y agua desplazada iguala su propio peso. Como, a igualdad de volumen, la mezcla pesa más que el cuerpo, el equilibrio llega más o menos a la altura de la cintura. Bonn declaró a National Geographic que una persona atrapada se hundiría «un poco más allá de la cintura», y añadió: «Yo diría que habría algo de presión sobre el pecho, pero no tanta como para causar problemas graves».
Una cifra muy repetida sitúa la densidad de las arenas movedizas en unos 2 gramos por centímetro cúbico, el doble que la del cuerpo. Ese número redondo aparece en referencias secundarias como Wikipedia, no como una medición precisa en los artículos originales, así que tómalo como una ilustración del principio y no como un valor medido. NBC News, al informar sobre el estudio de 2005, expresó el contraste en otras unidades: un cuerpo humano medio de unas 62 libras por pie cúbico frente a unas 125 en el caso de las arenas movedizas, la misma proporción de casi 2 a 1. El principio en sí es sólido: el cuerpo flota en las arenas movedizas, y un objeto que flota no puede ser arrastrado por completo bajo el fluido en el que flota.
Así que la imagen cinematográfica tiene la física al revés. No te hundes hasta desaparecer. Te detienes más o menos a la altura de la cintura, medio sumergido, y luego no puedes salir.
Por qué es tan difícil escapar: la fuerza de un coche
Desatascarse es difícil, y el grupo de Ámsterdam cuantificó por qué. Una vez que la arena se compacta en torno a una extremidad atrapada, liberarla supone arrastrarla a través de un material denso y compactado mientras el agua apenas consigue fluir por detrás para rellenar el hueco. La presión de la mezcla circundante juega en tu contra.
Sacar un pie a un centímetro por segundo exigiría más o menos la fuerza necesaria para levantar un coche de tamaño medio. National Geographic, Science y la Britannica repiten esta comparación del coche y la atribuyen al grupo de Bonn.
La fuerza exacta en newtons aparece con cifras dispares en las fuentes secundarias. The Naked Scientists, al relatar las mediciones de Bonn, escriben que «la fuerza necesaria para extraer un pie atrapado (diez mil newtons) equivale a la necesaria para levantar un coche familiar medio». En cambio, un despacho de la Agence France-Presse reproducido por Phys.org afirma que «solo para sacar un pie hace falta una fuerza de 100.000 newtons, más o menos la misma que se necesita para levantar un coche de tamaño medio». Ambas se describen como «equivalentes a levantar un coche», lo que te indica que la comparación pesa más que la cifra exacta: 10.000 newtons corresponden a levantar un coche de aproximadamente una tonelada, mientras que 100.000 newtons se acercan más a un camión pequeño. La conclusión práctica se mantiene en cualquier caso: una persona no puede generar esa fuerza con una sola pierna, y por eso forcejear no sirve de nada y por eso las películas al menos acertaban en que debatirse empeora las cosas.
¿Existen las arenas movedizas secas?
Durante la mayor parte de la historia, los relatos de viajeros sobre caravanas que desaparecían en la arena seca del desierto se descartaron como folclore. En 2004, otro grupo demostró que el efecto puede ser real, al menos en el laboratorio.
Detlef Lohse, Remco Rauhé, Raymond Bergmann y Devaraj van der Meer, de la Universidad de Twente, publicaron «Creating a dry variety of quicksand» en Nature. Tomaron arena muy fina, con un diámetro de grano típico de unos 40 micrómetros, e insuflaron aire a través de ella desde una base perforada para aflojar su estructura interna. Después cortaron el aire y dejaron que el lecho se asentara. El resultado fue una arena con una fracción de empaquetamiento de solo un 41 % aproximadamente, mucho más suelta que el 55–60 % de la arena sin tratar. Con sus cadenas de fuerza debilitadas, esta arena ya no podía soportar peso.
Los investigadores soltaron una bola lastrada (radio de 2 cm, masa de 133 g) sobre la superficie desde muy poca altura. La bola se hundió hasta una profundidad de unos cinco diámetros y desapareció en una arena que, momentos antes, parecía de lo más corriente. Luego llegó algo que la variedad húmeda nunca produce. Al colapsar el vacío que había dejado la bola, un chorro de arena salió disparado hacia arriba. El artículo técnico complementario, publicado ese mismo año en Physical Review Letters con el título «Impact on soft sand: void collapse and jet formation», analizó el mecanismo. En la nota de Nature, el equipo informó de que, por encima de una masa umbral, «se forma un chorro que lanza arena violentamente al aire» unos 100 a 130 milisegundos después del impacto, seguido de una erupción granular cuando una burbuja de aire atrapada se abrió paso de vuelta hasta la superficie. La profundidad final de la bola aumentaba linealmente con su masa, y por encima de una masa umbral aparecía el chorro.
Dos advertencias. Primera: se trataba de un lecho aireado en condiciones controladas; no está claro con qué frecuencia la naturaleza produce y conserva una arena seca tan poco compactada, y tanto los autores como los comentaristas posteriores han tenido cuidado de no afirmar que las caravanas del desierto desaparezcan así habitualmente. Segunda: las arenas movedizas secas atrapan por una vía distinta de la de las húmedas (no hay agua que empuje el cuerpo hacia arriba), de modo que un material granular seco y suelto puede, en principio, engullir un objeto más por completo, igual que el grano suelto de un silo puede sepultar a una persona. Más allá del nombre, las dos tienen poco en común.
La conexión con los terremotos: cuando barrios enteros se licúan
La misma física que atrapa la bota de un excursionista actúa a escala de ciudades durante los terremotos, donde recibe el nombre de licuefacción del suelo, uno de los efectos secundarios más destructivos de un gran sismo.
El Servicio Geológico de Estados Unidos describe el proceso sin rodeos: la licuefacción se produce en suelos saturados en los que el agua llena el espacio entre las partículas. Antes de un terremoto, los granos soportan la carga a través de sus contactos. La sacudida desbarata ese armazón, de modo que las partículas ya no sostienen el peso, la presión del agua subterránea aumenta, los granos quedan en suspensión en el agua y el suelo fluye. Como dice el USGS, un suelo que se comporta como un líquido «puede perder su capacidad de soportar estructuras» y puede «brotar hasta la superficie del terreno y formar hervideros de arena (“volcanes de arena”)».
Un «hervidero de arena» de unos 2 m (6,6 ft) de diámetro que brotó en la mediana de la Interstate 80, cerca de la plaza de peaje del Bay Bridge, durante el terremoto de Loma Prieta de 1989, cuando la sacudida licuó la arena enterrada y empujó hasta la superficie una pasta de arena y agua. La arena expulsada arrastraba fragmentos de conchas marinas del depósito subyacente. Foto: J.C. Tinsley, U.S. Geological Survey, dominio público.
Los hervideros de arena son la firma superficial de la misma separación en dos fases observada en el laboratorio. La estructura de granos que se desmorona exprime agua a presión y arena hacia arriba a través de grietas y expulsa la pasta en la superficie: la misma expulsión de una fase rica en agua que sigue al colapso del empaquetamiento de granos en los experimentos de Ámsterdam.
El caso que enseñó a los ingenieros a tomarse en serio la licuefacción fue el terremoto de Niigata del 16 de junio de 1964, un sismo de magnitud aproximada 7,5 (las estimaciones van de Ms 7,4 a Mw 7,6) con epicentro en el mar de Japón, frente a la costa noroeste de Honshu; mató a entre 26 y 36 personas y destruyó unas 3.500 viviendas. Gran parte de la ciudad se asienta sobre arena suelta y saturada de agua depositada por los ríos Shinano y Agano. Cuando llegó la sacudida, ese terreno se licuó. En el complejo de Kawagishi-cho, ocho edificios de viviendas de hormigón armado de cuatro plantas levantados sobre terrenos de relleno, los bloques giraron y se inclinaron a medida que el suelo bajo sus cimentaciones superficiales perdía su resistencia. Estaban construidos para resistir la sacudida, y estructuralmente la resistieron. Algunos llegaron a inclinarse hasta 80 grados respecto a la vertical y uno volcó casi por completo; aun así, las estructuras en sí quedaron prácticamente intactas. Como señala el Servicio Geológico de Utah, «la licuefacción hizo que estos edificios de viviendas se volcaran durante el terremoto de magnitud 7,4 de Niigata (Japón) de 1964». En las zonas afectadas de la ciudad se midieron hundimientos de hasta 140 centímetros.
En ese mismo terremoto, la licuefacción destruyó otras infraestructuras: el puente Showa sobre el río Shinano se derrumbó cuando el desplazamiento lateral del suelo licuado movió los pilotes que sostenían sus pilas. La licuefacción es, por tanto, un comportamiento normal y bien conocido del suelo, no una trampa exótica. Un parche de arenas movedizas en una llanura mareal y una manzana licuada durante un terremoto son la misma física a escalas distintas.
¿Cómo se sale de las arenas movedizas?
Los consejos de escape que se derivan de la física son poco vistosos y eficaces, y casi lo contrario del forcejeo presa del pánico que muestran las películas.
Deja de forcejear
Los movimientos rápidos y bruscos son justo lo que licúa la arena a tu alrededor y te permite hundirte más. Los resultados de Ámsterdam explican por qué: el esfuerzo hace caer la viscosidad, así que cada patada violenta convierte en líquido más material circundante bajo tus pies.
Suelta peso
Una mochila pesada se suma a la carga que tu flotabilidad tiene que compensar y hace que tu profundidad de equilibrio sea mayor. Quitártela eleva el nivel al que flotas.
Échate hacia atrás y reparte tu peso
Como el cuerpo flota en las arenas movedizas, repartir tu peso sobre una superficie mayor, inclinándote hacia la horizontal como harías en una piscina, permite que una parte mayor de ti quede en la superficie o cerca de ella.
Haz que vuelva a entrar agua, despacio
Si cuesta tanto sacar una pierna atrapada es porque el sedimento compactado opone resistencia y el agua no puede entrar lo bastante rápido por detrás. Los movimientos pequeños y lentos (girar suavemente o menear la extremidad atrapada) reintroducen agua en la arena densa que la rodea, lo que reduce su densidad local y afloja su agarre hasta que la pierna sale poco a poco. Es lento, y funciona a favor del material, no en su contra.
Los verdaderos peligros no son la succión, sino lo que le ocurre a una persona que está atascada y no puede liberarse rápido: la marea que sube en una llanura costera, la exposición al sol y la deshidratación, la hipotermia en agua fría o el simple agotamiento. La Britannica señala que el peligro real es que a una persona atrapada la sorprenda la marea entrante, y añade que incluso estos accidentes son muy raros. Las arenas movedizas suelen darse precisamente en zonas mareales, y por eso el peligro es real aunque no lo sea ahogarse engullido por ellas. Otros peligros naturales de los terrenos saturados e inestables, desde las dolinas hasta los deslizamientos de tierra, son mucho más letales que las arenas movedizas del cine.
Mito frente a realidad
Quita el cine de en medio y el panorama es sencillo. Las arenas movedizas existen. Son arena o limo saturados y poco compactados, que se mantienen unidos gracias a una frágil estructura de arcilla y a agua a presión, y que se licúan cuando se perturban. Pueden atrapar a una persona con tanta firmeza que rescatarse por sí misma resulte difícil y haga falta ayuda externa. En un entorno con arcilla y sal, sujetan con una fuerza que, extremidad por extremidad, supera aquella contra la que un ser humano es capaz de tirar.
Lo que no pueden hacer es arrastrarte hacia abajo y cerrarse sobre tu cabeza. Tu cuerpo es más ligero, a igualdad de volumen, que la mezcla de arena y agua, así que flotas más o menos a la altura de la cintura. El artículo de Nature de 2005 zanjó la cuestión central con una prueba de laboratorio y no con una anécdota: un objeto con la densidad del cuerpo se hunde hasta la mitad y se detiene. No te ahogarás en arenas movedizas como el explorador de la película. Te quedarás atascado, y la forma de salir es echarte hacia atrás y dejar que el agua vuelva a abrirse paso en la arena. Si quieres saber más sobre el extraño comportamiento del suelo granular, nuestros artículos sobre las dunas que retumban y cantan muestran cómo esos mismos granos sueltos pueden tanto cantar como engullir.
