¿Por qué resbala el hielo? Un misterio con dos siglos de antigüedad
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¿Quién no se ha dado alguna vez un resbalón accidental sobre el hielo o la nieve? Sus propiedades deslizantes nos resultan completamente familiares, pero la explicación sobre la cualidad resbaladiza del hielo ha suscitado una polémica científica de casi dos siglos de antigüedad. Ahora, modelando el problema mediante la simulación molecular, nos ha sido posible acercarnos a la respuesta.
La importancia de descifrar el fenómeno
Los humanos utilizamos las propiedades deslizantes del hielo o la nieve desde tiempos inmemoriales. A veces como forma de ocio y otras como medio de transporte. En la antigua China, durante la dinastía Ming en el siglo XV, crearon una carretera de hielo para transportar planchas de mármol de centenares de kilos desde las montañas próximas hasta la Ciudad Prohibida de Pekín.
En la actualidad, el transporte sobre hielo tiene fines más mundanos y modestos, pero entender el origen de esta propiedad tan familiar sigue siendo importante, ya sea para mejorar las prestaciones de los deportistas en las olimpiadas o para garantizar la seguridad de los automóviles durante el invierno.
La controversia comenzó en la Inglaterra victoriana
Hace ya casi dos siglos que los científicos discuten sobre las causas que hacen del hielo un material tan resbaladizo, sin ponerse de acuerdo, en una apasionante controversia histórica que comenzó en Gran Bretaña en plena era victoriana.
Por esa época, el último glaciar de las islas británicas se había derretido hacía más de 10 000 años, y grandes científicos de la época se proponían entender las causas de su deslizamiento por las montañas. Entre otros intereses, esto era una buena oportunidad para estrenar la recién creada industria turística de las estaciones invernales.
Así, un equipo de geólogos, biólogos, físicos y botánicos formado por Huxley, Henslow, Tyndall y Hooker viajaron para estudiar in situ el comportamiento del hielo sobre el glaciar de Grindenwald, en Suiza, en el año 1856. En esta expedición acuñaron el término de regelación, la propiedad del hielo de derretirse y volver a congelarse fácilmente, que está en el origen de las primeras investigaciones sobre la fricción del hielo.
La capa lubricante del agua
De aquellos estudios surgió la hipótesis más aceptada, que supone que sobre la superficie del hielo hay una capa de agua derretida que hace las veces de lubricante. Pero, ¿cómo se forma esta capa de agua por debajo de la temperatura de fusión? Michael Faraday, famoso por sus estudios sobre el electromagnetismo, propuso a mediados del siglo XVIII que el derretimiento del hielo se produce de forma espontánea sobre su superficie incluso por debajo del punto de fusión. Pero esta hipótesis parecía contradecir los principios recién formulados de la termodinámica y no fue bien recibida.
Por las mismas fechas, James Thomson, el hermano mayor de Lord Kelvin, descubrió una de las más excepcionales propiedades del hielo: su capacidad de fundirse por efecto de la presión, justamente al contrario que la mayoría de las sustancias, que cristalizan al aumentar la presión.
Usando este concepto, John Joly y Osborne Reynolds, padres de la hidrodinámica, sugirieron que la presión ejercida por un patín sobre el hielo lo haría derretirse, permitiendo fácilmente su deslizamiento.
Casi un siglo después, en 1950, Philip Bowden, uno de los fundadores de la moderna ciencia de la tribología, o ciencia de la fricción, propuso que el derretimiento no se debía al aumento de la presión, sino al calor generado al deslizarse el patín sobre el hielo.
La observación de los átomos del hielo
El caso es que las modernas técnicas de observación de las superficies de los materiales, como la microscopía avanzada o la difracción de rayos-x, suelen realizarse en condiciones controladas de laboratorio, que distan mucho de las condiciones habituales a las que se desliza un patín sobre el hielo.
Para suplir los complicados experimentos de laboratorio, en nuestra investigación, desde la Universidad Complutense de Madrid, en colaboración con nuestros colegas de la Universidad Autónoma de madrid y la Universidad Maria Curie-Skłodowska de Lublin, en Polonia, hemos simulado mediante ordenador el movimiento de los átomos mientras se desliza un sólido sobre la superficie del hielo. Esto nos permite ‘ver’ el movimiento individual de cada una de las moléculas del sistema como en una película y contar cuántas de ellas se han derretido.
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