¿Por qué el hielo es tan resbaladizo?

by Eric
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Los Juegos Olímpicos de Invierno de Beijing en curso serán una fiesta para los ojos de la gente del mundo. El patinaje de velocidad en pista corta es tenso y emocionante, y la postura de los atletas al adelantar una esquina puede describirse como rápida y rápida; el patinaje artístico es noble y elegante, y los atletas bailan sobre el hielo, “como un dragón aterrador, elegante como un dragón “…

La base de todo esto es inseparable de la suave superficie del hielo. Sin embargo, ¿por qué el hielo es tan resbaladizo?

Este fenómeno aparentemente ordinario ha desconcertado a los científicos durante muchos años.

De acuerdo con la experiencia de vida de las personas, el aceite, la cera, el agua y otros lubricantes son las mejores herramientas para hacer que los objetos sean resbaladizos. Reduce la fricción entre los objetos. La razón por la que la superficie del hielo puede ser tan resbaladiza es precisamente por el agua como lubricante natural. Cuando realizamos actividades en el hielo, en realidad estamos parados sobre la capa superior del hielo con una película fluida de agua.

Pero, ¿de dónde salió esta película de agua?

En la década de 1850, el científico James Thompson propuso que el punto de fusión del hielo disminuiría si se le aplicaba presión. Es decir, “el hielo se derrite bajo presión”. El físico irlandés John Joly relacionó esta ley con el patinaje sobre hielo, argumentando que cuando una persona se para sobre la superficie del hielo, la presión ejercida por el cuerpo sobre la superficie del hielo hará que el punto de fusión del hielo sea inferior a 0 °C, lo que hará que la superficie de el hielo se derrita y forme una película de agua lubricante que hace que el hielo sea resbaladizo. Si usa patines con hojas delgadas, la presión sobre el hielo será mayor y el punto de fusión del hielo descenderá aún más, lo que permitirá a los patinadores deslizarse libremente sobre el hielo.

Sin embargo, esta hipótesis también es insostenible.

Se calcula que un adulto con patines de hielo ejercerá una presión más de 400 veces superior a la presión atmosférica estándar sobre la superficie del hielo, lo que puede reducir el punto de fusión del hielo a -3,5 °C. Sin embargo, en los Juegos Olímpicos de Invierno, la temperatura de la superficie del hielo en el patinaje de velocidad en pista corta, el patinaje de velocidad y otros eventos es incluso inferior a -5 °C, y la superficie del hielo no se derretirá simplemente por la presión. Sin mencionar que la temperatura exterior en el noreste puede llegar incluso a menos decenas de grados centígrados. Según esta hipótesis, la superficie de hielo en el noreste debería ser difícil de derretir para formar una película de agua, y sería difícil deslizarse sobre ella.

Pero ese no es el caso.

En 1939, Frank Bowden y T.P. Hughes, dos científicos de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, propusieron que la película de agua sobre la superficie del hielo era el resultado del derretimiento del hielo debido a la generación de calor por fricción. Creen que el calor generado por la rápida fricción entre la cuchilla y la superficie del hielo durante el patinaje puede ser la razón principal por la que la superficie del hielo se derrite para formar una película de agua.

Desafortunadamente, más tarde se demostró que el espesor de la película de agua producida por la fricción es significativamente menor que el espesor de la parte más rugosa de la superficie del hielo. Esto significa que la película de agua producida por la fricción ni siquiera puede llenar los “pequeños charcos” en la superficie de la capa de hielo y, por lo tanto, no puede proporcionar una lubricación efectiva. Al mismo tiempo, la afirmación de que el calor por fricción genera una película de agua no puede explicar el fenómeno de que muchas personas todavía se caen porque la superficie del hielo es resbaladiza sin un ejercicio vigoroso para producir fricción.

Entonces, surgió una nueva hipótesis: ¿Podría haber una película de agua en la superficie del propio hielo?

En 1987, los científicos descubrieron a través de imágenes de rayos X que debería haber una capa muy delgada de moléculas de agua en el hielo, con un espesor de unos 100 nanómetros. Este hallazgo confirma que efectivamente hay una capa de cuasi-líquido en la superficie del hielo.

Cuando el agua se congela, cada molécula de agua atrapa moléculas de agua a su alrededor a través de enlaces de hidrógeno, formando una estructura cristalina. Sin embargo, no hay otras moléculas de agua alrededor de las moléculas de agua de la superficie, por lo que no hay forma de formar una estructura regular como el interior de un cubo de hielo, y solo puede “vagar” en la superficie del hielo de manera desordenada. Algunos equipos de investigación incluso han simulado cómo las moléculas de agua “vagan” sobre la superficie del hielo.

Un estudio publicado en la revista “Nature” muestra que al diseñar un dinamómetro que puede “escuchar”, los científicos pueden medir las propiedades mecánicas de esta capa de cuasi-líquido y explorar por qué el hielo es resbaladizo desde una perspectiva microscópica. Este conjunto de dinamómetros consta de un dispositivo similar a un diapasón y cuentas de vidrio de tamaño milimétrico. En el experimento, las perlas de vidrio se deslizarían como una pequeña cuchilla de hielo a través del hielo en la misma área a una escala de distancia de decenas de micrómetros. Se adjunta un acelerador al diapasón utilizado para vibrar, que puede medir la amplitud de oscilación de las perlas de vidrio, calculando así el coeficiente de fricción entre las perlas de vidrio y el hielo.

Eventualmente, los científicos descubrieron que esta capa de cuasi-líquido no era simplemente agua, sino una mezcla de agua y hielo picado diminuto. Es viscoso como el aceite y tiene propiedades viscoelásticas. Los científicos creen que este es el secreto de por qué el hielo es resbaladizo.

Por supuesto, en los deportes de hielo, la existencia de patines de hielo también hace que los atletas sean aún más poderosos. Los científicos de mi país han descubierto que pequeños fragmentos de hielo en la película de agua actúan como bolas de rodamiento. Cuando el atleta se deslizó a través del patín de hielo a alta velocidad, la presión generada por el patín hizo que estos pequeños trozos de hielo se trituraran como perlas, y el agua líquida liberada aumentó el espesor de la película de agua original, haciendo que el hielo fuera más resbaladizo.

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