Patinar sobre hielo, una actividad científicamente inexplicable

Cada invierno miles de personas recorren las pistas de hielo, ajenos a estar experimentando uno de los misterios más extraños de la química. Y es que a día de hoy, no sabemos exactamente cómo funciona el patinaje sobre hielo desde un punto de vista microscópico.

El patinaje sobre hielo no es precisamente una actividad reciente. En Suiza se han encontrado restos de patines con una antigüedad de más de tres mil años, que permitían a nuestros antepasados desplazarse a través de los lagos helados durante el invierno para cazar. Esta actividad pragmática evolucionó a una disciplina artística a partir del siglo XVIII, momento en el que la aristocracia holandesa empezó a idear piruetas y figuras para realizar una especie de ballet sobre hielo. Esta evolución finalizó con la introducción del patinaje artístico como deporte en los Juegos Olímpicos de Invierno en 1924.

La paradoja del hielo

En los últimos dos siglos, varios científicos han estudiado el patinaje desde un punto de vista científico, trazando hipótesis sobre cómo los patinadores pueden deslizarse sobre el hielo a tanta velocidad. Y no está siendo una tarea sencilla. El principal problema es que, a pesar de lo que nos dicta la intuición, el hielo no es resbaladizo.

Si tomamos un cubito de hielo del congelador de casa, notaremos que el hielo puede ser cogido con facilidad y tiene una superficie áspera. Además, si miráramos la superficie del hielo con un microscopio veríamos que no es lisa, sino que en el proceso de congelación se forman pequeños cristales que, como esquirlas, dificultan aun más que el hielo sea deslizante.

Pasados unos instantes, el hielo empieza a derretirse entre nuestros dedos y se vuelve resbaladizo. El culpable no es el hielo, sino la fina capa de agua liquida que se forma alrededor del mismo mientras se derrite. Esta agua líquida es capaz de lubricar el espacio entre nuestros dedos y el hielo, favoreciendo el deslizamiento. En 1859 el científico Michael Faraday se dio cuenta de este hecho, declarando que los patinadores podían deslizarse gracias a la fina capa de agua que se formaba entre el hielo y el patín.

Pero aunque la presencia de esta capa de agua existe, como puede comprobar cualquiera al tocar una pista de hielo, la conclusión de Faraday es objeto de debate en la comunidad científica. Básicamente hay dos problemas: no tenemos claro por qué se forma esa capa de agua, y no entendemos por qué esa agua es capaz de deslizar a un patinador.

El primer problema es de dónde sale esa capa de agua. En las pistas de hielo artificiales que podemos encontrar en un centro comercial la temperatura exterior es mayor de cero grados centígrados, y el proceso de fusión del hielo puede ser similar al del cubito que hemos cogido. Pero las pistas de hielo del siglo pasado no eran artificiales, sino lagos helados a temperaturas bajo cero. Bajo estas condiciones, el hielo bajo los patinadores no debería derretirse, ya que la temperatura del aire de su alrededor sigue favoreciendo que el hielo permanezca congelado, como si el cubito nunca hubiera salido del congelador.

El propio Faraday se dio cuenta de esta paradoja, y propuso como explicación la disminución del punto de fusión del hielo bajo la presión del patinador. Todos sabemos que el hielo se derrite a los cero grados centígrados, pero ese valor puede cambiar según la presión a la que se lo someta. Si el hielo sufre altas presiones, puede permanecer líquido a temperaturas menores de cero y generar la capa de agua líquida. Pero da igual cuantas veces se hagan las cuentas: la presión que ejerce un patinador contra el hielo es demasiado pequeña como para cambiar el punto de fusión del hielo de manera significativa.

Otra explicación posible se basa en el calor generado por la rozamiento del patín contra el hielo, similar al calor que sentimos si nos frotamos las manos con rapidez. Este pequeño aporte de calor sería suficiente para poder derretir el hielo, y explicaría por qué los patinadores van ganando más velocidad a medida que patinan más tiempo seguido, ya que la cuchilla va calentándose más, favoreciendo la aparición de la película de agua. Esta explicación es la más apoyada a día de hoy por los físicos, pero se sabe que es incompleta, ya que no debería ser posible patinar a temperaturas menores de veinte grados centígrados porque contrarrestaría el efecto del aporte de calor… y sin embargo se puede.

Por lo tanto, el misterio de la procedencia de la capa de agua sigue en activo. Pero por suerte un estudio reciente ha aportado respuestas al segundo misterio: por qué esa capa de agua permite deslizar al patinador.

La extraña capa de agua

En este caso el problema es que el agua no debería ser un buen lubricante. Las sustancias que solemos concebir como resbaladizas tienen algo en común: son viscosas. Podemos pensar en la grasa del motor o en el aceite de oliva. La viscosidad es una propiedad que refleja la capacidad de interacción entre las moléculas dentro de un mismo líquido. Si este es muy viscoso, las moléculas permanecen más unidas y el líquido se desplaza y vierte más lentamente. Para un lubricante, una alta viscosidad es imprescindible para permanecer entre los dos objetos que debe deslizar. Si la viscosidad es muy baja, las moléculas se verán desplazadas por la fricción y los dos objetos entrarán en contacto.

En este sentido, el agua no tiene una alta viscosidad para ser un buen lubricante. No podemos patinar en una calle ligeramente mojada ni nos resbalamos con facilidad en el suelo de nuestra casa cuando esta recién fregado. En esos casos, la fina capa de agua se escapa por ambos lados de nuestros pies, evitando que nos resbalemos salvo si la capa de agua es especialmente grande.

Para explicar el motivo por el cual el agua funciona bien como lubricante, un equipo de científicos franceses decidió estudiar directamente las propiedades de la capa de agua que se forma bajo los patines. Para hacerlo, conectaron un diapasón a una pequeña bola de metal de unos pocos milímetros de diámetro. Esta bola entra en contacto con una superficie de hielo, formando una especie de patín en miniatura. Al hacer vibrar el diapasón, el patín se desliza por el hielo una distancia suficientemente pequeña para no producir calor, pero suficientemente grande como para formar una capa de agua entre el hielo y el patín, de la cual podían conocer sus propiedades mecánicas registrando los movimientos del diapasón y el patín.

Los resultados mostraron algo sorprendente, y es que las propiedades de la capa de agua no coincidían con el agua líquida ni con el hielo, sino que formaba un estado intermedio, mezcla de ambos. El agua en este estado tiene una viscosidad mayor que el agua liquida pero un rozamiento menor que el hielo, que son precisamente las condiciones ideales para un buen lubricante que permita deslizar al patinador sobre el hielo.

Las dudas parece que se multiplican en vez de disminuir. ¿Cómo se forma este estado intermedio? Ese es el objetivo actual de este equipo. Lo único que parece claro es que debe ser un proceso relacionado con la propia estructura de las moléculas de agua, ya que al probar el patín con otros compuestos químicos congelados no llega a formarse esta capa intermedia, confirmando que sólo podemos patinar sobre algunos compuestos químicos.

Si logramos entender este proceso, no solo resolveremos un misterio de siglos de antigüedad, sino que podremos aprovechar esa capa intermedia en la fabricación de lubricantes mecánicos más baratos, que funcionen a baja temperatura y alto rozamiento. Mientras, solo podemos seguir patinando, ignorantes del misterio que reside bajo nuestros pies.

QUE NO TE LA CUELEN:

• Sabemos que durante el patinaje sobre hielo se produce una fina capa de agua entre la pista y el patín. En algunos casos tenemos explicación a la procedencia de esa capa (fusión del hielo en temperaturas ambiente), pero en otros casos no sabemos bien por qué sucede.

REFERENCIAS (MLA):

• Bonn, Daniel. “The Physics of Ice Skating.” Nature, Dec. 2019
• Formenti, Federico, and Alberto E. Minetti. “The First Humans Travelling on Ice: An Energy-Saving Strategy?” Biological Journal of the Linnean Society, vol. 93, no. 1, Dec. 2007, pp. 1–7
• Canale, Luca, et al. “Nanorheology of Interfacial Water during Ice Gliding.” Physical Review X, vol. 9, no. 4, 2019, pp. 1–9
• Faraday. “ XXIV. On Regelation, and on the Conservation of Force .” The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, vol. 17, no. 113, Informa UK Limited, Mar. 1859, pp. 162–69