¿Por qué el hielo resbala?

Y sí, aunque puede parecerte una pregunta realmente absurda, que el hielo sea tan resbaladizo es una cuestión que ha martirizado al mundo de la ciencia desde hace más de dos siglos. Porque, ¿por qué resbala? Si es por una capa de agua superficial tal y como parece, ¿por qué se forma? ¿Cómo es posible que exista a una temperatura menor que la de fusión? ¿Cuánto sobrevive derretida? ¿En dónde está el límite que diferencia que se derrita solo una fina capa a una línea más gruesa o, incluso, todo el bloque?

Desde luego, buscar explicación a cada una de estas preguntas ha conllevado un proceso largo en el que muchas grandes mentes han aportado su granito de arena. Finalmente, un estudio publicado a finales de 2022, en el que participan investigadores de la Universidad Complutense de Madrid, ha conseguido poner fin a este incesante problema. Te contamos todo sobre esta incógnita que, aunque te esté pareciendo la mar de sencilla, te aseguramos que no lo es.

Un dilema histórico

Aunque a día de hoy el aprovechamiento del hielo como superficie resbaladiza se centre más en el ocio, como las estaciones de esquí o el patinaje, en la Antigüedad era un recurso utilizado para las labores más arduas. Así, por ejemplo, en China, durante la dinastía Ming, alrededor del siglo XIV, la propiedad resbaladiza del hielo era utilizada en las acciones de transporte. Se creaban carreteras a base de bloques de hielo que permitían transportar planchas de mármol de cientos de kilos desde las montañas hasta Pekín de forma sencilla.

A raíz de esto, surgió en los individuos la inquietud de saber qué era lo que hacía al hielo diferente de otros sólidos y qué propiedad era la que le permitía ser un objeto tan resbaladizo. La duda se mantuvo a lo largo de los años, hasta que en la época Victoriana de Gran Bretaña, se inició la primera investigación al respecto.

Corría el año 1856 y se habían encontrado evidencias de que el último glaciar de las islas británicas, derretido hacía 10.000 años, se había ido deslizando por las montañas, dando lugar a valles erosionados. Los científicos Huxley, Henslow, Tyndall y Hooker se preguntaron por qué había ocurrido eso y tomaron la iniciativa de estudiar el comportamiento y características de los glaciares. Para ello, se desplazaron a Suiza en ese mismo año, donde realizaron diferentes estudios centrados en el glaciar Grindelwald.

Aunque sus resultados no se centraron en la propiedad resbaladiza, sí acuñaron por primera vez el término regelación como la característica del hielo que le permite derretirse y volver a congelarse con rapidez, así como importantes avances en el estudio de la fricción que sentaron las bases para teorías de científicos posteriores en este ámbito. De hecho, su trabajo fue tan importante, que la investigación se publicó en uno de los primeros números de la revista Nature, en noviembre de 1880.

La lluvia de hipótesis

De los estudios de regelación de los físicos británicos nació una teoría consensuada de que el hielo era capaz de resbalarse debido a la existencia de una capa superficial de agua muy fina, de un grosor equivalente a la centésima parte de un mechón de cabello. Ahora bien, la razón de su formación era algo un poco más ambiguo y diversos científicos del siglo XVIII, algunos bastante conocidos ya por aquella época, intentaron poner una explicación planteando diversas hipótesis.

En primer lugar, Michael Faraday, famoso por sus estudios en la inducción electromagnética, propuso que ese derretimiento sucedía de forma espontánea y de forma única en el hielo. Sin embargo, eso significaba que el hielo cambiaba a estado líquido a una temperatura menor que el punto de fusión, lo cual contradecía las leyes básicas de la termodinámica. El recibimiento de la idea fue, por lo tanto, nefasto.

Por su parte, el ingeniero James Thomson, destacado por sus estudios de aprovechamiento energético en el transporte de agua, afirmó que el hielo era capaz de fundirse y pasar a estado líquido como efecto de la presión. Este planteamiento supuso el descubrimiento de una de las propiedades más fascinantes del hielo pues, efectivamente y a diferencia del resto de sólidos que cristalizan en esa situación, el hielo es capaz de derretirse cuando la presión ejercida sobre él aumenta. Sería el caso, por ejemplo, de pisar un bloque de hielo o comprimir un cubito con las manos.

A partir de esta idea, John Joly y Osborne Reynolds, pioneros en el campo de la hidrodinámica, plantearon que el desplazamiento de cualquier vehículo, por ejemplo, un patín, sobre él, lo presionaría haciéndolo derretirse y, por lo tanto, permitiendo el fácil desplazamiento sobre su superficie y dando lugar a ese efecto resbaladizo.

Sin embargo, cuando todo parecía esclarecerse, el padre de los estudios de fricción, Philip Bowden, propuso en 1950 que ese derretimiento no era debido a la presión, sino que, el calor generado por la fricción del vehículo sobre el hielo, lo hacía aumentar de temperatura y derretirse, respetando de esta forma las leyes de la termodinámica.

De esta forma, y aunque parezca algo exageradamente extendido en el tiempo, el dilema de si el hielo resbalaba debido a la fricción o a la presión ejercida se mantuvo durante muchos años. Más concretamente, hasta finales del año 2022 cuando un grupo de científicos de la Universidad Complutense de Madrid, en colaboración con la Universidad Autónoma de Madrid y la Universidad María Curie-Sklodowska de Lublin, en Polonia, puso fin a la incógnita.

Mediante métodos computacionales, han conseguido simular el movimiento que realizan los átomos mientras se desliza un sólido sobre la parte superficial del hielo y observar de forma específica el movimiento de cada una de las partículas, su comportamiento y la forma en la que unas u otras se derriten. Los resultados, publicados en la revista Proceedings of the National Academy of Science, han sido asombrosos, pues han determinado que, en su medida, cada una de las hipótesis planteadas tenía algo de razón.

Así, observaron que al poner un sólido en contacto con la parte superficial del hielo, se produce una fusión inmediata de las moléculas más próximas a su superficie, lo que indica, tal y como avanzó Faraday, que el hielo crea de forma espontánea una capa de lubricación acuosa. Sin embargo, ejerciendo algo de presión sobre el sólido, se aprecia un aumento del grosor de esa capa, corroborando la teoría de Thomson y Reynolds de que una mayor presión equivale a mayor hielo derretido. Finalmente, es posible aumentar aún más la cantidad de agua líquida desplazando el objeto sobre el hielo, debido al calor generado por la fricción y, de esta forma, comprobando que la hipótesis de Bowden era también cierta.

El resultado de esta investigación es, en cierto modo, un ejemplo de la belleza del progreso científico y del alcance de las grandes mentes de la historia de la ciencia. Al final, los avances son el resultado de un gran esfuerzo continuado por parte de toda la comunidad científica en su totalidad. Algo así, como una carrera de fondo.

Por otra parte, este estudio ha podido sentar las bases de un nuevo enfoque hacia el ahorro energético. Y es que, hay que pensar que más de la mitad de la energía producida en el mundo, se pierde por fricción. Por lo tanto, un conocimiento de la forma en que se comportan los lubricantes en la naturaleza podría ser una forma de mejorar los lubricantes creados de forma artificial y así, prevenir la gran pérdida energética.

Sin embargo, está todo en el aire y, para estos científicos, se plantea como un enfoque para futuros estudios. Por el momento, parece tiempo de disfrutar de sus grandes resultados y admirar el cierre de esta bonita historia sobre las contribuciones, los aportes y el avance de la ciencia.