Ciencia resbaladiza

¿Se imaginan cómo sería la práctica del patinaje sobre hielo si el hielo no tuviera una superficie extremadamente resbaladiza para permitir a los patinadores un movimiento casi sin fricción?

Los Juegos Olímpicos de Pyeongchang, en Corea del Sur, han puesto otra vez de actualidad un sinfín de deportes cuya práctica depende de las propiedades físicas del hielo y de la nieve y, por ello, queremos aprovechar la ocasión para hablar de ciencia relacionada con el agua en estado sólido.

La ciencia del hielo

Deportes como el patinaje, el hockey, el bobsleigh o el curling se sirven de las propiedades extrañas y fascinantes de este material frío y duro que es el hielo. El hielo forma parte de los casquetes polares y los científicos recurren a él para obtener datos para estudiar el clima de nuestro planeta. En los deportes sobre hielo se usan patines con cuchillas metálicas que permiten moverse en su superficie gracias a sus características resbaladizas. Pero, ¿por qué es resbaladizo?

La molécula de agua está formada por dos átomos de hidrógeno, que tienen carga positiva, unidos a uno de oxígeno, que posee carga negativa. Como en un imán, las cargas opuestas atraen otras moléculas de agua y se forma lo que se conoce como enlaces de hidrógeno. En el agua líquida, las moléculas se mueven y rebotan las unas con las otras, a causa de la energía térmica del sistema, y los enlaces de hidrógeno se forman y se rompen fácilmente. A medida que se enfría y se acerca a su punto de congelación (273,15 K o 0 ºC), las moléculas de agua se enlentecen, los enlaces de hidrógeno se mantienen y estas se organizan en grupos rígidos de seis lados (hexagonales) que se interconectan con otros grupos en una estructura llamada red cristalina. A su vez, este patrón se irá repitiendo en capas a medida que el hielo se va haciendo más grueso y los enlaces se forman en todas las direcciones, con lo el hielo adopta su dureza.

En cambio, las moléculas que se encuentran en la superficie no pueden formar enlaces rígidos por encima y se encuentran en un estado cuasi-líquido que se denomina de prefusión. Esta capa se comporta como un lubricante y es lo que permite que nos podamos desplazar casi sin fricción por encima del hielo.

En la práctica del hockey sobre hielo o en las carreras de patinaje lo que se busca es la rapidez y, por lo tanto, los profesionales que trabajan en el mantenimiento de las pistas intentan eliminar cualquier factor que pueda ir en contra de la velocidad: las impurezas del agua se eliminan por filtración y la superficie se limpia de suciedad y de otros elementos que se depositan encima del hielo. En la preparación de una pista, primero se deposita una solución de salmuera (agua salada) fría. Los iones de sal mantienen las moléculas de agua separadas, dificultando que se formen los enlaces de hidrógeno y, por ello, la temperatura de congelación del agua salada es más baja que la del agua dulce. Esta solución sirve para enfriar la losa encima de la que se depositarán las capas de agua fresca filtrada que se congelarán. Si el hielo es muy grueso la distancia de la superficie con la capa de salmuera es mayor y esto dará lugar a un tipo de hielo más templado y suave, muy apreciado por los patinadores. Para disciplinas como el hockey, el patinaje artístico y el de velocidad en pista corta, el grosor del hielo es de 2,5 centímetros. En cambio para los patinadores de largo recorrido, es un centímetro más delgado, para que su superficie permanezca más fría y dura; condiciones que necesitan para obtener una zancada suave y deslizante.

La ciencia de la nieve

La nieve es el otro componente esencial de los Juegos Olímpicos de Invierno: es la pendiente por la que descienden velozmente los esquiadores, la pista lisa de carreras para el esquí de fondo o la lanzadera que propulsa a los ‘snowboarders’. En algunos casos, su escasez ha hecho peligrar la cita: como en los Juegos de 1964 en la ciudad austríaca de Innsbruck. Ese invierno, las precipitaciones no habían sido las esperadas y se tuvo que movilizar al ejército para traer nieve de otros lugares. Actualmente, disponemos de cañones de nieve artificial que ayudan a solventar situaciones en las que el manto blanco brilla por su ausencia, como se teme que pueda ocurrir en los futuros Juegos de Pekín 2022, y siempre que las temperaturas sean lo suficientemente bajas. Pero ¿cómo se forma la nieve en condiciones naturales?

La nieve es agua en forma de cristales de hielo que se precipita generalmente desde las nubes y que, al formarse en la atmósfera, puede adoptar una estructura cristalina única. Se inicia como pequeñas gotas de agua en las nubes, que se han enfriado por debajo de su punto de congelación pero que se mantienen todavía líquidas. Este proceso en el que un líquido se enfría por debajo de su temperatura de congelación sin volverse sólido se conoce como sobrefusión (a veces llamada superenfriamiento o subfusión). Para que el agua superenfriada se congele y se convierta en copos de nieve deberá entrar en contacto con un cristal semilla o núcleo alrededor del cual se inicie la formación de una estructura cristalina. Por ejemplo, una partícula de polvo o de algún contaminante, que proporcione el ímpetu necesario para comenzar el proceso de congelación. Cuando el agua golpea esa partícula, puede congelarse y formar una estructura cristalina. Un fenómeno similar ocurre cuando un avión atraviesa estratos o cúmulos que contienen a menudo gotas de agua superenfriada: estas son golpeadas por el viento producido por el avión y cristalizan de repente formando hielo, que podría llegar a causar problemas en el vuelo y, por ello, los aviones que vuelan en esas condiciones poseen sistemas antihielo.

Los copos de nieve presentan multitud de formas y tamaños, pero adoptan comúnmente una forma geométrica basada en el hexágono, identificada por primera vez en 1611 por el astrónomo y matemático alemán Johannes Kepler. Esta forma responde al orden interno que adoptan las moléculas de agua en estado sólido cuando cristalizan y la forma más fácil en que se unen es en grupos de seis. Otras formas más raras se basan en el triángulo o en el dodecágono. Su forma está determinada por las condiciones de temperatura, humedad y por la altura de la atmósfera en la que se han formado. En condiciones de mucha humedad adoptan formas más complejas como las arquetípicas láminas o dendritas estelares. Con menos humedad, las formas de los copos son más simples, como los prismas, columnas o agujas. En cambio, la nieve artificial, producida por los cañones a partir de pequeñas gotas congeladas antes de ser expulsadas, no se asemeja en nada a las fascinantes formas que presentan los copos de nieve formados de forma natural.

En 1885, Wilson Bentley fue uno de los primeros en fotografiar los copos de nieve; desarrolló una técnica que consistía en atraparlos sobre terciopelo negro antes de que estos se derritieran y así los pudo fotografiar con una cámara conectada a un microscopio compuesto. A lo largo de su vida, Bentey capturó más de 5.000 imágenes de cristales y argumentó que no había dos copos de nieve iguales. Un siglo más tarde, un equipo de científicos de Wisconsin demostró que si las condiciones en las que se forman son muy parecidas, estos pueden ser muy similares; pero los copos idénticos son de formas más bien simples.

Una vez que los copos de nieve se depositan en tierra, empiezan a sufrir cambios físicos de manera casi inmediata. El viento los traslada, se fragmentan. La forma de los cristales de nieve se modifica: se van redondeando y se vuelven más pequeños. Y una vez que son redondos, se comportan como cojinetes de bolas y se puede esquiar a través de ellos mucho más rápido. Por eso, ni la nieve almacenada ni la generada artificialmente pueden competir con la nieve virgen como superficie perfecta para la práctica del esquí.

Así, hielo y nieve, en perfectas condiciones, se convierten en las superficies ideales sobre las que se hacen realidad los sueños olímpicos. Sueños como los del patinador artístico Javier Fernández, que ha obtenido su primera medalla olímpica en Pyeongchang.