¿Por qué damos pequeños pasos al caminar sobre hielo?

La razón de los pequeños pasos es que las fuerzas laterales se reducen. Imagina dar un gran paso sobre cemento. La primera vez que pongas el pie bien delante de ti, empujará hacia delante sobre el hormigón. Al final de ese paso, cuando ese pie esté bien detrás de usted, empujará hacia atrás el concreto. Cuanto mayor sea el paso, mayores serán estas fuerzas hacia adelante y hacia atrás.

Tus zapatos normales sobre hielo solo pueden soportar pequeñas fuerzas hacia delante y hacia atrás antes de resbalar. Para evitar resbalones, damos pasos más pequeños.

El problema es que la pregunta es ambigua.

En condiciones de pista de patinaje controladas (sin patines), lo que le preocupa es el deslizamiento y el equilibrio. Por lo tanto, la fricción es el rey.

En la vida real, fuera de la pista de patinaje, en un río o en un estanque, tienes miedo de romper el hielo y ahogarte. El hielo real no es homogéneo en calidad y grosor, y siempre hay agua mortal debajo. Los pequeños pasos aseguran que no cree una gran fuerza normal contra un trozo de hielo más delgado (como una viga con un extremo apoyado) y, si lo hace, el sonido de un crujido lo alertará de inmediato para que retroceda.

El arte de caminar sobre hielo es plantar toda la suela del zapato en el hielo y simplemente agregar tanta fuerza horizontal a cada paso que no pierda el agarre. Los pequeños pasos hacen que esto sea más fácil y si pierde el control, tiene espacio para un gran paso correctivo para recuperar el equilibrio. Es como equilibrar un lápiz en el dedo: cuanto más se desequilibra, mayor es el movimiento de corrección que necesita. Si un paso correctivo no funciona, el deslizamiento es una opción. Es útil doblar ligeramente las rodillas y mantener los pies un poco abiertos.

El secreto es que no necesitas fricción para correr sobre hielo, solo un equilibrio perfecto. La fricción solo es necesaria para la aceleración y la desaceleración. Porque cuando la fuerza normal es paralela a la fuerza de impacto, no hay necesidad de fricción, y puedes equilibrar la dirección de la fuerza de impacto para que la dirección promedio sea paralela a la fuerza normal.

Hay un ángulo crítico$\mu = \tan( \theta_c)$para la pierna donde si se excede el pie resbalaría. Cuanto menor sea la fricción disponible$\mu$cuanto menor sea el ángulo crítico.

Incluso sin hielo, intente caminar por un camino de tierra con un paso realmente largo y cuando su pie presione hacia abajo cuando la pierna esté en un ángulo lo suficientemente alto lejos de la vertical, se deslizará. Es la misma razón por la que no se recomienda colocar escaleras en ángulos altos o se deslizarán.

La respuesta es realmente que los pequeños pasos equivalen a abrir con ángulos que minimizan la carga lateral. La pregunta está redactada de manera horrible, ya que la respuesta b) debería decir minimizar las fuerzas laterales.

Esta pregunta se responde utilizando tres bits de conocimiento:

1) Bajo presión, el hielo se derrite para formar una capa de agua que eventualmente es la razón por la cual el hielo es tan resbaladizo. (Hay un término medio entre la causa y el efecto que tiene que ver con el comportamiento anómalo del agua entre 273K y 277K. Hay un video de Richard Feynman donde habla de esto hasta cierto punto).)

2) La fuerza aplicada por tus pies sobre el hielo es en realidad proporcional a la tangente del ángulo formado entre tu pie y el suelo entre cada paso. Además, para reducir la fuerza por unidad de área aplicada por el pie sobre el hielo (lo que hace que el hielo se derrita y, por lo tanto, reduce la fricción), debe colocar todo el pie a la vez, plano, sobre el suelo helado.

3) Además, no querrás separar demasiado las piernas porque esto conducirá a una fuerza de deslizamiento en la pierna trasera.

Entonces, teniendo en cuenta estos tres puntos, lo que debe hacer es colocar el pie plano sobre el hielo sin separar demasiado las piernas. Lo que en otras palabras significa que das pequeños pasos y caminas como un pingüino a menos que quieras arriesgarte a una mala caída.