Al estar en estado sólido, ¿por qué el hielo es resbaladizo? [duplicar]

Decir que el hielo es resbaladizo es como decir que el agua moja: es algo que sabemos desde que podemos decir que sabemos algo. Presumiblemente, los humanos como especie sabían que el hielo era resbaladizo antes de saber que el fuego estaba caliente o que existía. Pero pregúntale a cualquiera por qué, y no podrá darte una explicación mejor que la que te daría una de esas personas de las cavernas.

No es resbaladizo si se enfría lo suficiente.
Su conjetura acerca de que el hielo se conoce antes que el fuego es interesante, pero me parece inverosímil. ¿Emigrarían los humanos (y los homínidos prehumanos) de África a cualquier región que tuviera una cantidad significativa de hielo antes de tener un control sólido del fuego? Me parece una receta para el desastre. Los humanos y los homínidos prehumanos han tenido el control del fuego durante mucho tiempo, mucho antes de que los humanos anatómicamente modernos abandonaran África.
@EricLippert: Quizás OP basó la suposición en la disponibilidad. Es fácil predecir dónde encontrará hielo (aparece en cualquier lugar donde hace frío, lo que podría ser frecuente según la altitud, la latitud y el clima global), mientras que es difícil imaginar cómo encontraría fuego de forma natural. ¿De dónde viene el fuego además de la maleza seca que encienden los rayos?
Hay muchos lugares en el mundo donde el hielo rara vez se produce de forma natural, por lo que es plausible que alguien sin un congelador pueda pasar toda su vida sin ver hielo. Por otro lado, en el clima seco y cálido en el que vivo (el medio oeste de Brasil, la vegetación se llama "serrado", pero en África se llama "sabana"), es muy común ver incendios forestales naturales. La vegetación aquí es especialmente resistente al fuego.
@EricLippert: hay mucho hielo disponible en África, muy cerca del ecuador, por ejemplo, en la cima de las montañas de Kenia. No veo por qué las personas curiosas no habrían intentado ver qué hay en la cima del mundo incluso sin acceso al fuego.
Una nueva publicación sobre el tema: phys.org/news/2018-05-slipperiness-ice.html

Respuestas (4)

Aparentemente, esta es una pregunta simple con una respuesta no tan simple.

Creo que el consenso general es que hay una fina capa de agua líquida en la superficie del hielo. Esta capa delgada y el hielo sólido debajo de ella son responsables de que el hielo sea resbaladizo; el agua se mueve fácilmente sobre el hielo. (Bueno, ¿por qué es eso ? Quizás otra pregunta de SE).

Sin embargo, esto no es un acuerdo real sobre por qué , para empezar, hay una fina capa de agua líquida en la superficie del hielo. Vea aquí un artículo del NYT de 2006. Y si está interesado en el documento de física real en el que se basa el artículo de noticias, consulte aquí ( DOI ).

Una idea establece que las moléculas en la superficie del hielo vibran más que las moléculas internas y que esta es una propiedad intrínseca del hielo de agua. Dado que las moléculas externas vibran más rápido, es más probable que estén en estado líquido.

Otra idea es que el movimiento de un objeto sobre el hielo provoca calentamiento, aunque encontré fuentes contradictorias sobre si existe un consenso al respecto.

Hay una idea popular que muchos sostienen pero que no parece sostener el agua. (Heh.) Esta idea postuló que la presión adicional sobre el hielo de un pie o patín hace que el punto de fusión aumente, lo que provocaría la formación de una capa delgada de líquido. Sin embargo, calcular la presión resultante y el aumento del punto de fusión no se alinea con la observación; el punto de fusión ciertamente aumenta, pero no lo suficiente.

Por experiencia personal, el hielo no es (muy) resbaladizo a -40°C, pero peor cerca de 0°C. Eso apoya la idea de la capa de agua.
@gerrit o algún otro mecanismo que cambie la estructura del hielo a medida que se enfría. Por ejemplo, la red cristalina podría cambiar, haciendo que el hielo se vuelva más quebradizo o poroso.
@jwenting Cierto. Hay muchos otros modelos que mi observación apoyaría. El hielo de agua en el sistema solar exterior es duro como una roca...
la presión disminuye el punto de fusión del hielo
Acabo de leer un artículo en la versión alemana de Scientific American (spektrum der wissenschaft) al respecto, y allí afirman (y calculan un poco) que ni la presión ni la fricción son lo suficientemente grandes como para derretir sustancialmente suficiente agua. Es posible que puedan aumentar la temperatura entre 1 y 3 K, pero el hielo también es resbaladizo a 250 K. También afirmaron que esta fina capa de líquido se vuelve más pequeña a medida que se enfría el hielo (por lo que ya no es resbaladizo en cierto punto, creo que alrededor de 230-240K) y que esto mismo se encuentra en muchos más materiales, aunque no tan grueso .
¿La presión más alta generalmente no se traduce en puntos de fusión más bajos de todos modos? ¿O es el agua una excepción a eso (similar a cómo aumenta de volumen en su estado sólido a diferencia de la mayoría de los materiales)?
@dvnrrs El agua es una excepción: puedes poner una mancuerna pesada sobre un enorme bloque de hielo y observar cómo se derrite lentamente el agua debajo y se incrusta en el hielo.
¿No tendería el vapor de agua en la atmósfera a condensarse en el hielo como la niebla en un vaso frío? Allí llevaría algún tiempo cambiar de fase de líquido a sólido, dejando una capa muy fina de líquido encima. A medida que se congela, más vapor de agua continuaría condensándose. ¿No explicaría esto también por qué las condiciones más frías/secas parecen producir hielo menos resbaladizo?
Ha habido algunas idas y vueltas sobre si el texto de la publicación debería decir que el punto de fusión aumenta o disminuye con un aumento de la presión. Yo creo que debería ser menor. En esta teoría, entonces, la temperatura del hielo sólido podría estar por encima del nuevo punto de fusión más bajo.

Todo el hielo que vemos a nuestro alrededor en la naturaleza no está lejos del punto de fusión del hielo; esto da una probabilidad razonable de que haya monocapas de agua sobre la superficie del hielo. La entrada de energía adicional por fricción haría que se derritiera más hielo en la superficie, lo que le daría una propiedad resbaladiza. El hielo cercano a la temperatura del cero absoluto (es decir, muy por debajo de su punto de fusión) no sería resbaladizo.

Interesante forma de verlo. Ahora quiero ir a casa y ver si la mantequilla justo por debajo de su punto de fusión se deslizará en un plato caliente.
@chase ¿Has probado este experimento? ¿Cuál fue el resultado?

Hay un par de razones: las propiedades de la superficie del hielo y la formación de una fina capa de agua líquida.

Primero, el hielo tiende a tener una superficie relativamente lisa, debido a la interacción de las moléculas de agua que forman una estructura cristalina regular (después de todo, eso es lo que es el hielo). La gravedad ayuda: empuja las moléculas de la superficie hacia abajo, por lo que todas tienden a estar en algún nivel, lo que genera una superficie muy uniforme y coeficientes de fricción muy bajos.

En segundo lugar, está el agua líquida en la superficie. Esto sucede por dos razones:

  • En primer lugar, en cualquier punto por encima del cero absoluto, siempre habrá un poco de agua en transición de sólido a líquido (fusión) y/o gas (sublimación). Las moléculas en lo profundo del hielo están rodeadas por otras moléculas que son casi estacionarias, por lo que es poco probable que esas moléculas se muevan. Las moléculas en la superficie, por otro lado, están unidas con menos fuerza a sus vecinos, porque no tienen vecinos en todos los lados, por lo que pueden "soltarse" más fácilmente y moverse en las fases de agua o gas.

  • En segundo lugar, la presión derrite el hielo de agua. El agua es uno de los pocos compuestos que es menos denso en forma sólida que en forma líquida. Por eso el hielo flota en el agua. El acto de aplicar presión, por ejemplo, pararse sobre una capa de hielo, comprime y de hecho derrite un poco del hielo. Si alguna vez has visto a alguien cortando hielo con un alambre, así es como funciona: la presión del alambre en realidad derrite el hielo, si la presión es lo suficientemente grande.

Entonces, si te paras sobre hielo, derretirás una capa muy delgada. Agregue ese derretimiento al derretimiento y recongelamiento espontáneos de la capa superior de moléculas de agua y al hecho de que ya está en una superficie lisa, y las cosas se vuelven muy resbaladizas, muy rápido.

Esto es correcto. Tu segunda viñeta da en el clavo.

El hielo es la forma sólida del agua. Bajo presión, dependiendo de la temperatura local y de cuánta presión se aplique, el hielo cambia de estado a agua líquida. Cuanta más resistencia ofrece una superficie a los objetos que se mueven sobre ella, menos resbaladiza es.

Digamos que te pones patines de hielo y patinas. las palas ejercen suficiente presión para derretir el hielo debajo de los patines para formar agua, una superficie con muy poca resistencia, y la capa de agua actúa como lubricante entre la pala y el hielo debajo.

Otro día, hace demasiado frío o el patinador es demasiado pequeño para ejercer suficiente presión y la pisada es buena.

Sugiero que la gente siempre supo que el hielo podría ser resbaladizo y prestó mucha atención a los detalles a nivel local para decidir si este hielo es resbaladizo.

Este mismo punto fue discutido la semana pasada en Science Friday en NPR (2/7/2014). El punto que se señaló fue que esto puede explicar parcialmente el hecho de que el hielo sea resbaladizo para los objetos pesados, pero los objetos muy livianos que no ejercen suficiente presión para que el hielo cambie de estado, igualmente se deslizarán.
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