El secreto oculto tras el chirrido de tus zapatillas

Cualquiera que haya presenciado un partido de baloncesto o haya caminado rápido por el reluciente pasillo de un hospital con calzado deportivo conoce perfectamente ese sonido. Es un chirrido agudo, penetrante y rítmico. Los jugadores, de hecho, no solo leen los movimientos de sus compañeros y rivales con la vista, sino también a través de la sinfonía de chirridos que sus zapatillas arrancan al parqué. Podría parecer una simple anécdota, un detalle sin mayor importancia de nuestra vida cotidiana, pero en ciencia, a menudo, lo cotidiano puede dar cobijo a los misterios más esquivos. Y este es justo el caso. El estudio del agudo chillido de las deportivas acaba de desvelar una dinámica de materiales con un potencial extraordinario para transformar numerosos campos de la ingeniería y la física. Entender los procesos que gobiernan la fricción es uno de los problemas más antiguos y complejos de la física. Porque cuando dos superficies entran en contacto, no se limitan a rozarse, sino que se enzarzan en una auténtica ‘coreografía’ microscópica oculta a nuestros ojos. Ahí, en esa frontera invisible, las fuerzas se concentran en puntos de contacto minúsculos, se generan residuos a escala nanométrica y se forman y rompen enlaces químicos de forma incesante. Estos procesos dictan si algo se desliza suavemente o si, por el contrario, se desgasta y opone resistencia. La importancia de comprender esto es capital, ya que una fracción gigantesca del consumo mundial de energía se pierde irremediablemente debido a la fricción y el desgaste de los materiales.Noticia relacionada No No Un físico español resuelve, por fin, el misterio de la ‘piel invisible’ del hielo José Manuel NievesUna cuestión complejaHasta ahora, la ciencia atribuía los chirridos de los materiales blandos sobre superficies duras a un fenómeno conocido como stick-slip (pegar y resbalar), una alternancia rápida en la que las superficies se adhieren y luego saltan bruscamente, como ocurre al pasar una tiza sobre la pizarra. Además, hace más de cincuenta años, el científico Adolf Schallamach ya observó que la goma era capaz de generar ondas de desprendimiento al deslizarse. Sin embargo, había un problema: aquellas ‘ondas de Schallamach’ eran demasiado lentas para producir sonido. La teoría tradicional dejaba sin explicar por qué las zapatillas solo chirrían a altas velocidades, por qué el patrón de la suela cambia tanto el efecto y, sobre todo, de dónde sale exactamente ese tono musical tan bien definido. Para resolver la cuestión, simple en apariencia pero diabólicamente compleja, un equipo de investigadores liderado por Katia Bertoldi, de la Universidad de Harvard, acaba de publicar un estudio en ‘ Nature ‘.La zapatilla no se desliza uniformemente: el movimiento se produce por medio de diminutas ondas de deformación que barren el suelo a casi 300 kilómetros por horaLos científicos utilizaron una zapatilla de baloncesto convencional (concretamente, unas Nike CU3503-100) y la hicieron deslizarse sobre una placa de vidrio a un metro por segundo, la velocidad crítica para que el sonido empiece a producirse. Pero, ¿cómo ver lo que ocurre debajo de una suela opaca? Para ello, recurrieron a un ingenioso truco óptico llamado ‘reflexión interna total’. Los investigadores inyectaron fotones dentro del panel de cristal (sobre el que estaba la zapatilla) con un ángulo cuidadosamente calculado para que esa luz quedara atrapada en su interior, rebotando entre las caras del vidrio y sin poder salir al exterior (el mismo principio que hace funcionar la fibra óptica que lleva internet a nuestros hogares). Sin embargo, justo en los minúsculos puntos donde la goma de la zapatilla tocaba el cristal, la ‘magia’ se rompía y la luz lograba escapar. Así, y utilizando cámaras de altísima velocidad, el equipo pudo grabar exactamente qué partes de la suela estaban efectivamente en contacto con el suelo milisegundo a milisegundo.Un resultado asombrosoLo que revelaron las imágenes fue asombroso, porque resultó que la zapatilla no se deslizaba uniformemente. En vez de eso, el movimiento se producía mediante ‘pulsos de apertura’, unas diminutas ondas de deformación espacialmente localizadas y que viajaban a la asombrosa velocidad de casi 300 kilómetros por hora. Esas ondas barrían la interfaz entre el zapato y el vidrio, levantando momentáneamente la goma y despegándola del contacto en puntos microscópicos. Cada uno de estos pulsos apenas hizo avanzar la zapatilla menos de un milímetro, por lo que, para lograr un deslizamiento sostenido, el calzado necesita generar miles de estos eventos por segundo.Y aquí es donde entra en juego el diseño. Los investigadores probaron el mismo experimento con bloques de goma lisos y descubrieron que los pulsos eran caóticos e irregulares, sin producir ningún sonido claro. Sin embargo, al introducir crestas y surcos paralelos, idénticos a los patrones de agarre (el ‘dibujo’ que llevan las zapatillas deportivas en la suela), el comportamiento se transformó por completo. Las estrías obligaban a los pulsos a ordenarse y viajar de manera consistente desde el borde trasero hacia el delantero.Para ver lo que ocurría bajo la suela, los investigadores recurrieron a un ingenioso truco óptico que atrapa la luz dentro del cristalLa frecuencia con la que se repetían estas ondas microscópicas se acopló a la vibración natural de la propia goma (su modo de corte más bajo), actuando exactamente igual que un diapasón musical. Al medir las emisiones acústicas, los científicos comprobaron que la frecuencia del sonido resultante era de unos 4.800 hercios, igualando con precisión matemática la tasa de aparición de estas ráfagas de deformación. Además, el hecho de deslizarse más rápido no hace que el chirrido sea más agudo, sino que simplemente determina si se produce o no. A velocidades bajas, los pulsos son esporádicos y silenciosos. Pero al superar una velocidad crítica, los pulsos se vuelven constantes y se bloquean en la frecuencia de la goma, transformando momentáneamente a la zapatilla de deporte en un verdadero instrumento musical de percusión y viento a escala nanométrica.Más allá del deporteEl descubrimiento va mucho más allá del ámbito deportivo. Los científicos, en efecto, observaron dinámicas idénticas en otros materiales similares al caucho, e incluso en los dedos humanos al deslizarse sobre cristal. «Este trabajo – subraya el investigador Bart Weber en un artículo que acompaña al estudio original- plantea una pregunta mucho más profunda sobre la naturaleza del deslizamiento en interfaces fuertemente adheridas». De hecho, al comprender que la fricción a alta velocidad está gobernada por dinámicas de ondas elásticas y no por un simple roce, se abren puertas inesperadas. Como concluye el propio Weber: «Si estos procesos pueden finalmente comprenderse y controlarse, podrían ofrecer nuevas vías para ajustar deliberadamente el comportamiento de la fricción».Las posibles aplicaciones son incontables. Y van desde la posibilidad de diseñar neumáticos que se adhieran mejor a la calzada en frenadas de emergencia (y sin generar ruido innecesario), a crear sistemas mecánicos y prótesis (como reemplazos de cadera) que no sufran desgaste ni emitan chirridos molestos.Además de lo cual, y a escala planetaria, el estudio ofrece un modelo perfecto para entender eventos mucho más destructivos. Las fallas geológicas, por ejemplo, donde inmensas placas tectónicas friccionan entre sí, funcionan bajo principios asombrosamente similares. Por eso, comprender cómo los ‘pulsos de apertura’ se propagan en los bordes de la roca podría darnos pistas vitales sobre la dinámica de los terremotos.Y por si fuera poco, el estudio guarda aún una última sorpresa. Y es que durante la fricción, la cámara ultrarrápida captó breves descargas eléctricas, minúsculos destellos de luz en la zona de contacto. Este fenómeno, llamado ‘tribocarga’, revela que el simple acto de patinar genera intensos campos eléctricos debido a la separación de cargas. Cómo interactúa esta electricidad estática con el deslizamiento mecánico sigue siendo un misterio que, sin duda, motivará futuras investigaciones. Lo que queda claro es que la próxima vez que escuchemos el ensordecedor chirrido en una cancha, sabremos que estamos presenciando una tormenta invisible de ondas y relámpagos microscópicos desatándose bajo los pies de los jugadores. Cualquiera que haya presenciado un partido de baloncesto o haya caminado rápido por el reluciente pasillo de un hospital con calzado deportivo conoce perfectamente ese sonido. Es un chirrido agudo, penetrante y rítmico. Los jugadores, de hecho, no solo leen los movimientos de sus compañeros y rivales con la vista, sino también a través de la sinfonía de chirridos que sus zapatillas arrancan al parqué. Podría parecer una simple anécdota, un detalle sin mayor importancia de nuestra vida cotidiana, pero en ciencia, a menudo, lo cotidiano puede dar cobijo a los misterios más esquivos. Y este es justo el caso. El estudio del agudo chillido de las deportivas acaba de desvelar una dinámica de materiales con un potencial extraordinario para transformar numerosos campos de la ingeniería y la física. Entender los procesos que gobiernan la fricción es uno de los problemas más antiguos y complejos de la física. Porque cuando dos superficies entran en contacto, no se limitan a rozarse, sino que se enzarzan en una auténtica ‘coreografía’ microscópica oculta a nuestros ojos. Ahí, en esa frontera invisible, las fuerzas se concentran en puntos de contacto minúsculos, se generan residuos a escala nanométrica y se forman y rompen enlaces químicos de forma incesante. Estos procesos dictan si algo se desliza suavemente o si, por el contrario, se desgasta y opone resistencia. La importancia de comprender esto es capital, ya que una fracción gigantesca del consumo mundial de energía se pierde irremediablemente debido a la fricción y el desgaste de los materiales.Noticia relacionada No No Un físico español resuelve, por fin, el misterio de la ‘piel invisible’ del hielo José Manuel NievesUna cuestión complejaHasta ahora, la ciencia atribuía los chirridos de los materiales blandos sobre superficies duras a un fenómeno conocido como stick-slip (pegar y resbalar), una alternancia rápida en la que las superficies se adhieren y luego saltan bruscamente, como ocurre al pasar una tiza sobre la pizarra. Además, hace más de cincuenta años, el científico Adolf Schallamach ya observó que la goma era capaz de generar ondas de desprendimiento al deslizarse. Sin embargo, había un problema: aquellas ‘ondas de Schallamach’ eran demasiado lentas para producir sonido. La teoría tradicional dejaba sin explicar por qué las zapatillas solo chirrían a altas velocidades, por qué el patrón de la suela cambia tanto el efecto y, sobre todo, de dónde sale exactamente ese tono musical tan bien definido. Para resolver la cuestión, simple en apariencia pero diabólicamente compleja, un equipo de investigadores liderado por Katia Bertoldi, de la Universidad de Harvard, acaba de publicar un estudio en ‘ Nature ‘.La zapatilla no se desliza uniformemente: el movimiento se produce por medio de diminutas ondas de deformación que barren el suelo a casi 300 kilómetros por horaLos científicos utilizaron una zapatilla de baloncesto convencional (concretamente, unas Nike CU3503-100) y la hicieron deslizarse sobre una placa de vidrio a un metro por segundo, la velocidad crítica para que el sonido empiece a producirse. Pero, ¿cómo ver lo que ocurre debajo de una suela opaca? Para ello, recurrieron a un ingenioso truco óptico llamado ‘reflexión interna total’. Los investigadores inyectaron fotones dentro del panel de cristal (sobre el que estaba la zapatilla) con un ángulo cuidadosamente calculado para que esa luz quedara atrapada en su interior, rebotando entre las caras del vidrio y sin poder salir al exterior (el mismo principio que hace funcionar la fibra óptica que lleva internet a nuestros hogares). Sin embargo, justo en los minúsculos puntos donde la goma de la zapatilla tocaba el cristal, la ‘magia’ se rompía y la luz lograba escapar. Así, y utilizando cámaras de altísima velocidad, el equipo pudo grabar exactamente qué partes de la suela estaban efectivamente en contacto con el suelo milisegundo a milisegundo.Un resultado asombrosoLo que revelaron las imágenes fue asombroso, porque resultó que la zapatilla no se deslizaba uniformemente. En vez de eso, el movimiento se producía mediante ‘pulsos de apertura’, unas diminutas ondas de deformación espacialmente localizadas y que viajaban a la asombrosa velocidad de casi 300 kilómetros por hora. Esas ondas barrían la interfaz entre el zapato y el vidrio, levantando momentáneamente la goma y despegándola del contacto en puntos microscópicos. Cada uno de estos pulsos apenas hizo avanzar la zapatilla menos de un milímetro, por lo que, para lograr un deslizamiento sostenido, el calzado necesita generar miles de estos eventos por segundo.Y aquí es donde entra en juego el diseño. Los investigadores probaron el mismo experimento con bloques de goma lisos y descubrieron que los pulsos eran caóticos e irregulares, sin producir ningún sonido claro. Sin embargo, al introducir crestas y surcos paralelos, idénticos a los patrones de agarre (el ‘dibujo’ que llevan las zapatillas deportivas en la suela), el comportamiento se transformó por completo. Las estrías obligaban a los pulsos a ordenarse y viajar de manera consistente desde el borde trasero hacia el delantero.Para ver lo que ocurría bajo la suela, los investigadores recurrieron a un ingenioso truco óptico que atrapa la luz dentro del cristalLa frecuencia con la que se repetían estas ondas microscópicas se acopló a la vibración natural de la propia goma (su modo de corte más bajo), actuando exactamente igual que un diapasón musical. Al medir las emisiones acústicas, los científicos comprobaron que la frecuencia del sonido resultante era de unos 4.800 hercios, igualando con precisión matemática la tasa de aparición de estas ráfagas de deformación. Además, el hecho de deslizarse más rápido no hace que el chirrido sea más agudo, sino que simplemente determina si se produce o no. A velocidades bajas, los pulsos son esporádicos y silenciosos. Pero al superar una velocidad crítica, los pulsos se vuelven constantes y se bloquean en la frecuencia de la goma, transformando momentáneamente a la zapatilla de deporte en un verdadero instrumento musical de percusión y viento a escala nanométrica.Más allá del deporteEl descubrimiento va mucho más allá del ámbito deportivo. Los científicos, en efecto, observaron dinámicas idénticas en otros materiales similares al caucho, e incluso en los dedos humanos al deslizarse sobre cristal. «Este trabajo – subraya el investigador Bart Weber en un artículo que acompaña al estudio original- plantea una pregunta mucho más profunda sobre la naturaleza del deslizamiento en interfaces fuertemente adheridas». De hecho, al comprender que la fricción a alta velocidad está gobernada por dinámicas de ondas elásticas y no por un simple roce, se abren puertas inesperadas. Como concluye el propio Weber: «Si estos procesos pueden finalmente comprenderse y controlarse, podrían ofrecer nuevas vías para ajustar deliberadamente el comportamiento de la fricción».Las posibles aplicaciones son incontables. Y van desde la posibilidad de diseñar neumáticos que se adhieran mejor a la calzada en frenadas de emergencia (y sin generar ruido innecesario), a crear sistemas mecánicos y prótesis (como reemplazos de cadera) que no sufran desgaste ni emitan chirridos molestos.Además de lo cual, y a escala planetaria, el estudio ofrece un modelo perfecto para entender eventos mucho más destructivos. Las fallas geológicas, por ejemplo, donde inmensas placas tectónicas friccionan entre sí, funcionan bajo principios asombrosamente similares. Por eso, comprender cómo los ‘pulsos de apertura’ se propagan en los bordes de la roca podría darnos pistas vitales sobre la dinámica de los terremotos.Y por si fuera poco, el estudio guarda aún una última sorpresa. Y es que durante la fricción, la cámara ultrarrápida captó breves descargas eléctricas, minúsculos destellos de luz en la zona de contacto. Este fenómeno, llamado ‘tribocarga’, revela que el simple acto de patinar genera intensos campos eléctricos debido a la separación de cargas. Cómo interactúa esta electricidad estática con el deslizamiento mecánico sigue siendo un misterio que, sin duda, motivará futuras investigaciones. Lo que queda claro es que la próxima vez que escuchemos el ensordecedor chirrido en una cancha, sabremos que estamos presenciando una tormenta invisible de ondas y relámpagos microscópicos desatándose bajo los pies de los jugadores.  

Cualquiera que haya presenciado un partido de baloncesto o haya caminado rápido por el reluciente pasillo de un hospital con calzado deportivo conoce perfectamente ese sonido. Es un chirrido agudo, penetrante y rítmico. Los jugadores, de hecho, no solo leen los movimientos de sus compañeros … y rivales con la vista, sino también a través de la sinfonía de chirridos que sus zapatillas arrancan al parqué. Podría parecer una simple anécdota, un detalle sin mayor importancia de nuestra vida cotidiana, pero en ciencia, a menudo, lo cotidiano puede dar cobijo a los misterios más esquivos. Y este es justo el caso. El estudio del agudo chillido de las deportivas acaba de desvelar una dinámica de materiales con un potencial extraordinario para transformar numerosos campos de la ingeniería y la física.

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