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Nuevo estudio científico publicado en 25 de febrero investigó el conocido crujido de los zapatos observado en canchas deportivas y superficies rígidas, revelando que el fenómeno involucra procesos físicos microscópicos complejos que desafían explicaciones tradicionales sobre fricción y movimiento entre materiales blandos y sólidos
El crujido producido por zapatos al deslizar sobre superficies rígidas fue investigado por investigadores en un estudio publicado en 25 de febrero en la revista Nature, indicando que el sonido no resulta solo de la fricción, sino de movimientos microscópicos extremadamente rápidos en el caucho.
Investigación identifica nuevo mecanismo físico por detrás del crujido de los zapatos
El estudio mostró que los zapatos no deslizan de forma uniforme sobre el suelo. En cambio, pequeñas regiones de la suela se desprenden y reconectan rápidamente a la superficie, formando estructuras llamadas pulsos de deslizamiento de apertura.
Estos pulsos se comportan como frentes rápidas similares a arrugas que recorren el área de contacto. El proceso ocurre repetidamente y genera vibraciones que son percibidas por el oído humano como el crujido característico de los zapatos.
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Según los investigadores, este comportamiento desafía la explicación tradicional basada solo en la fricción de adherencia-deslizamiento, modelo ampliamente utilizado para explicar ruidos en sistemas rígidos, como bisagras o frenos.
Materiales blandos, como el caucho presente en los zapatos, presentan dinámica distinta cuando entran en contacto con superficies duras, exigiendo nuevos modelos físicos para explicar el fenómeno.
Experimentos con caucho revelan pulsos rápidos y descargas eléctricas microscópicas
Para analizar el comportamiento de los zapatos, científicos de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard trabajaron en conjunto con investigadores de la Universidad de Nottingham y del Centro Nacional Francés de Investigación Científica.
El equipo utilizó imágenes ópticas de alta velocidad combinadas con grabaciones de audio sincronizadas para observar el movimiento del caucho deslizando rápidamente sobre vidrio liso.
Los experimentos demostraron que el movimiento no ocurre de manera continua. Ocurre en ciclos de aceleraciones y paradas concentradas en pequeñas áreas, mientras otras partes permanecen completamente adheridas al suelo.
En algunas pruebas, los investigadores observaron pequeños destellos generados por la fricción. Estas descargas eléctricas fueron descritas como diminutas chispas similares a relámpagos.
Aunque no son la principal fuente del sonido, estas chispas mostraron que la energía eléctrica puede acumularse cuando los zapatos entran en movimiento sobre superficies rígidas, influyendo en el comportamiento de los pulsos de deslizamiento.
Formato del caucho influye directamente en el sonido producido por los zapatos
Los resultados indicaron que el formato del caucho ejerce un papel más importante que el propio movimiento en el tono del ruido producido por los zapatos.
Cuando bloques planos de caucho deslizaron sobre el vidrio, los pulsos ocurrieron de forma irregular, produciendo un sonido más amplio y similar a un zumbido.
Al agregar ranuras finas en la superficie del caucho, los investigadores lograron confinar los pulsos de deslizamiento. Esto hizo que se repitieran en intervalos regulares, estabilizando la frecuencia sonora.
Las protuberancias funcionaron como guías que canalizan el movimiento, fijando el crujido en un tono específico. La frecuencia observada pasó a depender principalmente de la altura de estas estructuras en el caucho.
El patrón demostró ser tan predecible que el equipo construyó bloques con diferentes alturas y utilizó el sistema para reproducir manualmente el tema de la Marcha Imperial, de la franquicia Star Wars.
Según el primer autor del estudio, Adel Djellouli, fueron necesarios tres días consecutivos de ensayos para sincronizar ritmo y técnica durante la grabación realizada en el laboratorio.
Fenómeno observado en los zapatos presenta similitudes con terremotos
Además de explicar el crujido de los zapatos, el estudio señaló conexiones entre el comportamiento observado y procesos geológicos asociados a terremotos.
Los pulsos de deslizamiento identificados comparten características con frentes de ruptura presentes en fallas geológicas, donde partes de la corteza terrestre se rompen repentinamente y se deslizan a velocidades muy elevadas.
Según el coautor Shmuel Rubinstein, la fricción en materiales blandos suele considerarse lenta. Sin embargo, los experimentos mostraron que el crujido de un tenis puede propagarse tan rápido como, o incluso más rápido, que rupturas geológicas.
La semejanza sugiere que estudios involucrando zapatos y caucho pueden contribuir a ampliar la comprensión de la física involucrada en terremotos.
Descubrimientos pueden orientar el desarrollo de superficies adherentes ajustables
Los investigadores afirman que los resultados tienen aplicaciones que van más allá del diseño de zapatos.
La comprensión de cómo la geometría de la superficie controla los pulsos de deslizamiento puede permitir el desarrollo de materiales capaces de alternar entre estados resbaladizos y adherentes según la necesidad.
Según Katia Bertoldi, profesora de mecánica aplicada en Harvard, ajustar el comportamiento de fricción en tiempo real representa un objetivo antiguo de la ingeniería.
El nuevo análisis abre camino para la creación de metamateriales friccionales ajustables, capaces de transitar entre baja fricción y alta adherencia bajo demanda, utilizando el control geométrico de las superficies.
Así, el estudio que investigó el simple crujido de los zapatos reveló mecanismos físicos complejos que involucran movimiento supersónico, vibración localizada y acumulación de energía eléctrica en escalas microscópicas.
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