Quienes viven en climas más fríos están acostumbrados a convivir con hielo resbaladizo durante todo el invierno, ya sea para patinar en ríos y lagos congelados o como un serio peligro de caídas y accidentes en aceras y carreteras. Resulta que los científicos no conocían la respuesta hasta hace poco, cuando se ha descubierto que unas moléculas extra en la superficie del hielo son las culpables.
Como el hielo es menos denso que el agua líquida, su punto de fusión decrece bajo altas presiones. Una vieja teoría afirmaba que eso era lo que hacía que resbalara: al pisarlo, la presión de tu peso en la superficie hacía que la capa más externa se derritiera.
Sin embargo, “esto no es posible”, señala Misha Bonn, director del Departamento de Espectroscopia Molecular del Instituto Max Planck para la Investigación de Polímeros (Alemania).
“La presión tendría que ser muy elevada, algo que no podrías conseguir ni siquiera con la pisada de un elefante calzado con zapatos de tacón”, apunta Bonn.
Ni presión ni fricción: algo no encajaba
Otra hipótesis se basa en que el calor creado por la fricción cuando caminas sobre el hielo es el causante de esa fina capa de agua. Pero el hielo no solo resbala cuando caminas, como habrás descubierto si has usado patines de cuchilla alguna vez. Incluso si la presión o el calor derritieran el agua helada, ¿podría esto explicar su comportamiento deslizante?
Daniel Bonn, físico de la Universidad de Ámsterdam (Países Bajos), asegura que no. “La teoría de la capa de agua no tiene mucho sentido. Si derramas un vaso en el suelo de la cocina, resbalará un poco, pero no mucho… No es suficiente para explicar el fenómeno”, indica.
Misha y Daniel Bonn, que son hermanos, han publicado un estudio en el Journal of Chemical Physics donde describen la superficie del hielo.
El hallazgo: moléculas sueltas como canicas
En vez de una capa de agua, encontraron moléculas sueltas. Misha lo compara con “el suelo de una pista de baile cubierto de canicas”. Pisar esta superficie, por lo tanto, sería como hacer rodar esas canicas moleculares.
El hielo tiene un estructura regular y cristalina, donde cada molécula de agua está unida a otras tres. Las de la superficie, sin embargo, solo pueden enlazarse con otras dos. Al ser su enlace con el cristal tan débil, no son muy estables y están continuamente deslizándose, uniéndose y soltándose de varios puntos del cristal.
Aunque resbalamos sobre el hielo cuando pisamos estas moléculas, su comportamiento no es igual que el de una capa de agua. Para empezar, siguen actuando así a temperaturas muy por debajo del punto de congelación. De hecho, se mueven con tanta libertad por la superficie que “se parecen más a un gas bidimensional que a un fluido tridimensional”, observa Daniel.
¿Pero es algo que solo ocurre con el hielo?
Martin Truffer, físico en la Universidad de Alaska Fairbanks (EE. UU.) nos cuenta que no. “Aunque el hielo es especial, porque es el único material que podemos encontrar en sus tres estados –sólido, líquido y gaseoso– dentro del rango climático que habitamos”, afirma.
Truffer, que viven en Fairbanks (Alaska), ha experimentado la congelación del agua muy por debajo del punto de fusión, a menos 40 º C. “La nieve se vuelve como el papel de lija”.
Esto ocurre porque a temperaturas muy bajas las moléculas en la superficie no tienen tanta energía para romper y crear enlaces mientras van rodando por el cristal. Entonces, el hielo no resbala. Según la investigación de los hermanos Bonn, el hielo presenta el máximo deslizamiento cuando está alrededor de -7 ºC. Pero algunas personas ya lo sabían: es la temperatura que mantienen constante las pistas de patinaje de velocidad sobre hielo.
Comparativa: ¿resbalan igual otros materiales helados?
¿Cómo se compara el hielo con otras superficies frías como la nieve compacta o la escarcha? La respuesta está en la estructura y comportamiento de cada superficie.
Un estudio de Frontiers in Mechanical Engineering revisa cinco mecanismos de fricción en hielo y nieve, destacando que mientras el hielo es un sólido cristalino propenso a la formación de una capa cuasi-líquida superficial, la nieve actúa como un material más poroso y abrasivo, con mayor resistencia mecánica al deslizamiento.
La diferencia salta a la vista en deportes de invierno: sobre nieve compacta, los esquís generan una mayor fricción por deformación y compresión del manto, especialmente a temperaturas bajo los -10 °C, donde el rozamiento se explica mejor por fractura y abrasión de los cristales, no por fusión.
En cambio, sobre hielo limpio, el coeficiente de fricción puede ser extremadamente bajo, facilitando el deslizamiento en patinaje sobre hielo.
Las moléculas superficiales actúan como lubricante natural, reduciendo el rozamiento más eficazmente que la nieve o la escarcha. Además, el hielo puede formar una capa de agua microscópica por fricción térmica o presión, aunque investigaciones recientes como las de los hermanos Bonn han demostrado que la presencia de dichas moléculas sueltas —más que agua líquida— es el verdadero responsable del deslizamiento.
Tecnología antideslizante: ciencia contra las caídas
Cuando se trata de evitar resbalones y accidentes en superficies heladas, la ingeniería ha aplicado principios similares a los del hielo, con innovaciones en suelas de calzado, neumáticos de invierno y accesorios antideslizantes.
- Suelas de calzado con compuestos especiales y microestructuras: investigadores del WinterLab en Toronto evaluaron diversas suelas y descubrieron que tecnologías basadas en compuestos de caucho avanzado, permiten al usuario caminar en hielo mojado sin resbalar en pendientes de hasta 7°. Aunque muchas suelas comunes fallan, estos compuestos ofrecen una mejora significativa en el control de caídas, aunque su rendimiento puede disminuir con el uso prolongado.
- Accesorios de tracción para el calzado: los crampones de hielo sin clavos replican la acción de los neumáticos de invierno en el calzado —microcanales para evacuar agua, compuestos que mantienen flexibilidad a –40 °C y pequeñas bombas que aumentan la presión de contacto. Estas innovaciones aumentan el agarre sin dañar suelos interiores.
- Neumáticos de invierno: cuentan con combinaciones de caucho más suave —para no endurecerse a bajas temperaturas— y patrones de diseño especiales. Las ranuras profundas y las lamelas finas permiten compactar nieve, canalizar agua y proporcionar mordidas adicionales en superficies heladas.
Cultura y curiosidades del hielo
Desde tiempos ancestrales, el hielo ha sido una vía tan vital como mágica para la vida en regiones frías. En zonas como Siberia, Finlandia o Mongolia, los lagos se transforman en caminos helados durante meses.
Por ejemplo, en Mongolia, el festival anual en el lago Khövsgöl reúne a lugareños y visitantes para practicar carreras de trineos, esgrima sobre hielo, y hasta sumo ¡en medio del gélido lago!
Pero el hielo no solo ha sido un soporte para el transporte o la diversión, sino un escenario competitivo por excelencia. El patinaje de velocidad se remonta al siglo XIII en los Países Bajos y debutó en los primeros Juegos Olímpicos de Invierno en 1924.
Estos ejemplos muestran que el hielo no es solo un obstáculo, también es un recurso cultural, deportivo y económico. Es una superficie que ha conectado comunidades, inspirado rituales y permitido logros humanos excepcionales, desde caravanas silenciadas sobre lagos congelados hasta campeones olímpicos deslizándose con elegancia en pistas de élite. Y todo gracias a su combinación única de fragilidad, firmeza y… la capacidad de resbalar.
Referencias
- Lever, J. H., Asenath-Smith, E., Taylor, S., & Lines, A. P. (2021). Assessing the mechanisms thought to govern ice and snow friction and their interplay with substrate brittle behavior. Frontiers in Mechanical Engineering. doi: 10.3389/fmech.2021.690425
- University Health Network (UHN). (2016, November 24). Researchers discover most winter boots are too slippery to walk safely on icy surfaces. ScienceDaily.
- Weber, B., Nagata, Y., Ketzetzi, S., Tang, F., Smit, W. J., Bakker, H. J., Backus, E. H. G., Bonn, M., & Bonn, D. (2018). Molecular Insight into the Slipperiness of Ice. The Journal of Physical Chemistry Letters. doi: 10.1021/acs.jpclett.8b01188
