La explicación sobre la cualidad que hace que resbale el hielo, ha provocado una polémica en la comunidad científica de casi dos siglos de antigüedad.
La ciencia trata de establecer por qué resbala el hielo a través de la modelación por simulación molecular
¿Quién alguna vez no se ha dado un buen resbalón accidentalmente sobre la nieve o el hielo? Las propiedades deslizantes del hielo nos resultan totalmente familiares; sin embargo, la explicación sobre el por qué resbala el hielo ha suscitado una polémica científica de cerca de un par de siglos de antigüedad.
En la actualidad, un grupo de científicos ha modelado el problema por medio de la simulación molecular, lo que ha hecho posible que nos acerquemos a la respuesta.
¿Es importante conocer por qué resbala el hielo?
Los seres humanos usamos las propiedades deslizantes del hielo o la nieve desde los principios de la historia. En ocasiones como forma de ocio y otras veces como medio de transporte. La dinastía Ming durante el siglo XV, en la antigua China, crearon una carretera de hielo para poder transportar planchas de mármol que pesaban centenares de kilos, desde las montañas cercanas hasta la Ciudad Prohibida de Pekín.
Actualmente el transporte sobre hielo es usado para fines modestos y mundanos, aunque conocer bien el origen de esta cualidad tan familiar continúa siendo importante. Ya sea para mejorar las prestaciones de los deportistas olímpicos o para garantizar la seguridad de los vehículos en el invierno.
Los orígenes de la controversia sobre el por qué se resbala el hielo
Esta controversia empezó en la Inglaterra victoriana. Hace ya cerca de 2 siglos que los científicos discuten sobre el por qué resbala el hielo y sobre las causas que lo provoca, aunque sin ponerse de acuerdo. En una polémica controversia histórica que empezó en Inglaterra en plena era victoriana.
Por aquellos años, el último glaciar de las islas británicas ya se había derretido hacía más de cien años, entonces grandes científicos del momento se proponían comprender las causas de su deslizamiento por las montañas. Entre otros motivos, esto representaba una excelente oportunidad para estrenar la recién creada industria turística en torno a las estaciones de invierno.
De esta manera, un grupo de biólogos, geólogos, botánicos y físicos formado por Huxley, Tyndall, Henslow y Hooker viajaron para investigar “in situ” el comportamiento del hielo en el glaciar de Grindenwal, ubicado en Suiza, durante el año 1856. Fue cuando acuñaron el término “regelación”, refiriéndose a la propiedad que posee el hielo de derretirse y volver a congelarse con facilidad. Y que se encuentra entre el origen de los primeros estudios sobre la fricción del hielo.
El papel de la capa lubricante del agua
De aquellas investigaciones emergió la hipótesis más aceptada, que reza que encima de la superficie del hielo existe una capa de agua derretida que funciona como un lubricante. Aunque, ¿cómo se forma dicha capa cuando el agua está por debajo de la temperatura fusión?
El famoso Michael Faraday, recordado por sus estudios sobre el electromagnetismo, planteó a mediados del siglo XVIII que dicho derretimiento se genera de manera espontánea sobre el hielo, incluso estando por debajo del punto de fusión. Sin embargo, esta hipótesis parecía contradecir los recién formulados principios de la termodinámica, por esa razón no fue bien recibida.
Por esos mismos tiempos, James Thomson, hermano mayor de Lord Kelvin, hizo el descubrimiento de las más excepcionales propiedades del hielo, de su capacidad de fundirse bajo los efectos de la presión. Precisamente al contrario que la mayoría de las sustancias, las cuales se cristalizan al subir la presión.
En base en este concepto, Osborne Reynolds y John Joly, bautizados como los padres de la hidrodinámica, señalaron que la presión ejercida por un patín sobre el hielo lo hace derretirse, lo que permite fácilmente su deslizamiento.
Philip Bowden, uno de los fundadores de la moderna ciencia de la fricción (ciencia de la tribología), cerca de un siglo después, en el año 1950, planteó que el derretimiento no lo causaba el aumento de la presión, sino que se debía al calor generado al deslizarse el patín sobre el hielo.
La cuestión es que las técnicas modernas de observación de las superficies de los materiales, como la difracción de rayos-x o la microscopía avanzada, suelen hacerse bajo condiciones controladas de laboratorio, muy lejos de las condiciones habituales a las que se desliza un patín sobre el hielo.
El movimiento de los átomos simulado por medio de un ordenados
Para poder suplir las complicaciones de los experimentos de laboratorio, en este nuevo estudio, llevado a cabo desde la Universidad Complutense de Madrid, en colaboración con la Universidad Autónoma de Madrid y la Universidad María Curie-Sklodowska de Lublin (Polonia); se ha simulado por medio de ordenadores el movimiento de los átomos cuando se desliza un sólido encima de la superficie del hielo.
Lo que le permitió a los científicos “ver” el movimiento individual de cada una de las moléculas pertenecientes al sistema, tal como en una película y contar cuántas de esas moléculas se habían derretido.
Los resultados de este estudio, que fueron publicados en “Proceedings of the National Academy of Science”, revelan que Michael Faraday tenía buena parte de la razón. En relación a que se pone el sólido en contacto con un cristal de hielo perfecto, se puede observar de inmediato cómo se derriten las moléculas más cercanas a su superficie, lo que se señala que el hielo forma de manera espontánea una capa de lubricación.
Sin embargo, Reynolds y Thomson también tenían una parte de razón. Efectivamente, en el momento en que se comprime el sólido contra el hielo, se puede notar que la capa de agua líquida sube continuamente su espesor cuanto mayor es la presión.
Y todavía hay más, cuando es puesto el sólido a deslizarse encima del hielo, se observa que si la fricción inicial es grande, el calor producido derrite un poco más la superficie, subiendo el espesor de la capa líquida. Además de mejorar su lubricación, tal como lo planteó Bowden.
Una linda historia
El producto es una hermosa historia sobre el progreso científico. En ocasiones al describir los avances de la ciencia se hace como en las crónicas deportivas y solo es fijada la atención en el autor del remate del gol. Sin embargo, realmente los avances son siempre el producto de un esfuerzo sostenido de toda una comunidad de científicos, cuya contribución queda frecuentemente eclipsada por la reputación de los científicos más conocidos.
De tal forma, se ha hallado que las claves principales del por qué resbala el hielo, son el fenómeno de fusión superficial planteado por Faraday. Además del derretimiento por causa de la fricción que planteó Bowden y la fusión paulatina por efecto de la presión, derivado de la hipótesis propuesta por Thomson.
Aunque, al contrario que la propuesta de Bowden y Thomson, estos fenómenos son todos procesos de fusión que impactan solo a la superficie del hielo y por tal motivo pueden suceder incluso por debajo de su punto de fusión.
Esta combinación de elementos dota a la superficie del hielo de una capa de agua autorreparable y autolubricante y dicho poder de lubricación se va retroalimentando en la medida que va aumentando la velocidad de deslizamiento.
¡Pero si el agua es un mal lubricante!
Recientemente, varios investigadores han puesto en duda el rol que puede desempeñar una capa de agua como lubricante del hielo. Tanto así, que el agua es un mal lubricante. Por su alta fluidez, cuando es colocada entre dos junturas la alta presión la expulsa, y las junturas quedan en contacto directo, lo que provoca mucha fricción.
Por tal motivo, los lubricantes más utilizados suelen ser líquidos viscosos y poco fluidos, como por ejemplo el aceite. En el caso del hielo, la cosa es bastante diferente. A la vez que la presión expulsa el agua, el hielo de la superficie se derrite reparando la pérdida, un buen ejemplo de reconocido principio de Le Chatelier.
Por ende, las 3 teorías principales en conflicto desde hace más de dos siglos, son en realidad mutuamente compatible y operan al simultáneo para dotar al hielo de esta cualidad tan resbaladiza que lo hace verdaderamente excepcional.
