Dalle dune del deserto agli anelli planetari. Dai blister farmaceutici ai silos industriali. I granelli sono ovunque, sotto forma di sementi, sabbia, pillole, zucchero, cereali, farina, sale, materiali da costruzione. Con una particolarità: sono squilibrati. Mentre un singolo granello è facilmente descrivibile, i sistemi granulari fanno emergere delle caratteristiche impreviste dai dettami della fisica tradizionale che l’approccio complesso cerca di affrontare.

«I fluidi fatti di granelli non sono termodinamicamente in equilibrio – spiega Andrea Puglisi, fisico che dal 2009 al 2014 ha seguito “Granular Chaos”, progetto Firb finanziato dal ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca e realizzato dentro l’Istituto dei Sistemi Complessi del Cnr – «Questo significa che le fluttuazioni, accompagnate da fenomeni di autoorganizzazione, difficilmente possono essere ignorate». Un esempio? Durante il riempimento di un silos, quindi applicando una forza dall’alto, il sistema granulare reagirà con l’arching, la formazione di strutture ad arco che scaricheranno il peso lateralmente. Se la pressione totale del recipiente viene calcolata in verticale, come in un fluido tradizionale, il silos scoppierà (ogni anno ne esplodono negli Stati Uniti circa mille, con danni per migliaia di dollari).

Strutture come l’arching sono state definite da Ilya Prigogine, premio Nobel per la chimica nel 1977, dissipative, ovvero strutture in cui l’instabilità lontano dall’equilibrio dà luogo a pattern spontanei. «Nel nostro laboratorio – continua Puglisi – abbiamo utilizzato uno shaker per agitare i granelli, fino a ottenere un gas fatto di palline e abbiamo visto come il sistema, indifferente alla temperatura dell’ambiente esterno, se sollecitato sviluppa autonomamente un gradiente termico, al contrario dei fluidi molecolari che hanno bisogno di una doppia fonte di energia». I granelli urtando tra di loro, pur perdendo energia, non rinunciano a creare forme d’ordine.

E che succede quando, a causa della pioggia, colate di materiali argillosi precipitano verso il basso? Al Centro Interdipartimentale per lo Studio delle Dinamiche Complesse di Firenze si studiano i sistemi granulari per prevenire le frane. «A scopo di Protezione Civile si usano le soglie pluviometriche, dedotte su base statistica, per emettere un bollettino di allerta» spiega Gianluca Martelloni, ricercatore del progetto “Sviluppo di modelli matematici per l’innesco di frane su scala regionale/nazionale (applicazioni a scopo di protezione civile) e di modelli teorici di innesco e propagazione su scala di versante”, finanziato dall’Ente Cassa di Risparmio Firenze. «Il nostro modello – continua Martelloni – è attualmente in studio e si prevede possa essere messo a punto a fine 2016».

Un modello che vuole riunire tre fasi: l’infiltrazione dell’acqua piovana nel terreno poroso, che lo porta a saturazione; l’innesco della frana, dovuto alle pressioni interstiziali tra pori che permettono il movimento dei granelli; la propagazione, ovvero come la frana si muove, con la conseguente stima della sua estensione spaziale. Attualmente esistono diverse tipologie di modelli che studiano l’innesco e la propagazione delle frane, ma non modelli matematici di infiltrazione. Una carenza che lo studio si propone di colmare utilizzando equazioni frattali e frazionarie, che rispecchino la frattalità dei terreni porosi. Ripartendo dal mondo degli squilibrati granelli.