La cera para esquís es un material que se aplica a la parte inferior de los patines de nieve, incluidos los esquís , las tablas de snowboard y los trineos , para mejorar su coeficiente de rendimiento de fricción en diferentes condiciones de nieve . Los dos tipos principales de cera que se utilizan en los esquís son las ceras de deslizamiento y las ceras de agarre. Se ocupan de la fricción cinética (que se minimiza con una cera de deslizamiento) y la fricción estática (que se logra con una cera de agarre). Ambos tipos de cera están diseñados para adaptarse a las diferentes propiedades de la nieve, incluido el tipo y el tamaño de los cristales y el contenido de humedad de la superficie de la nieve, que varían con la temperatura y el historial de temperatura de la nieve. La cera de deslizamiento se selecciona para minimizar la fricción por deslizamiento tanto para el esquí alpino como para el de fondo . La cera de agarre (también llamada "cera de patada") proporciona tracción sobre la nieve para los esquiadores de fondo, mientras avanzan con la técnica clásica .
Los materiales plásticos modernos (por ejemplo, polietileno de alto módulo y teflón) que se utilizan en las bases de los esquís tienen excelentes propiedades de deslizamiento sobre la nieve, lo que en muchas circunstancias reduce el valor añadido de una cera de deslizamiento. Asimismo, las texturas unidireccionales (por ejemplo, escamas de pescado o pelos de microescala) que se encuentran bajo los pies en los esquís de fondo pueden ofrecer un sustituto práctico de la cera de agarre para aquellos esquiadores que utilicen la técnica clásica .
En 1673, Johannes Scheffer, en su Argentoratensis Lapponiæ (Historia de Laponia), dio la que probablemente sea la primera instrucción registrada para la aplicación de cera para esquís [1]. Aconsejó a los esquiadores que utilizaran brea de pino y colofonia. La aplicación de cera para esquís también se documentó en 1761. [2] En 1733, el coronel noruego Jens Henrik Emahusen describió el uso de alquitrán. En la década de 1740, el pueblo sami utilizó resina y sebo debajo de los esquís. [3]
A partir de 1854, los mineros de California que se encontraban en plena fiebre del oro empezaron a organizar carreras de esquí alpino. [4] También descubrieron que las bases de los esquís, untadas con lubricantes elaborados a partir de compuestos vegetales o animales, aumentaban la velocidad. Esto dio lugar a algunos de los primeros lubricantes comerciales para esquís, como Black Dope y Sierra Lighting ; ambos estaban compuestos principalmente de aceite de esperma , aceite vegetal y brea de pino. Sin embargo, algunos utilizaban cera de parafina para velas que se derretía sobre las bases de los esquís y que funcionaban mejor en condiciones más frías. [5]
El alquitrán de pino sobre bases de esquís de madera resultó eficaz para utilizar los esquís como medio de transporte a lo largo de los siglos, porque rellena los poros de la madera y crea una superficie hidrófoba que minimiza la succión del agua en la nieve, pero tiene suficiente rugosidad para permitir la tracción para el movimiento hacia adelante. En las décadas de 1920 y 1930, las empresas europeas desarrollaron nuevos barnices como bases de esquí para toda la temporada. Un avance significativo para las carreras de cross country fue la introducción del klister, para una buena tracción en nieve granulada, especialmente en condiciones primaverales; el klister fue inventado y patentado en 1913 por Peter Østbye. A principios de la década de 1940, Astra AB , una empresa química sueca, asesorada por el esquiador de cross country olímpico Martin Matsbo , comenzó el desarrollo de ceras a base de petróleo, utilizando cera de parafina y otros aditivos. En 1952, marcas tan conocidas como Toko, Swix y Rex ofrecían una variedad de ceras codificadas por colores y adaptadas a la temperatura. [5]
En el último cuarto del siglo XX, los investigadores abordaron los problemas gemelos del agua y las impurezas que se adhieren a los esquís durante las condiciones primaverales. Terry Hertel abordó ambos problemas, primero con el uso novedoso de un surfactante que interactuaba con la matriz de cera de tal manera que repelía el agua de manera efectiva, un producto introducido en 1974 por Hertel Wax . Hertel también desarrolló el primer producto de fluorocarbono y la primera cera primaveral que repele y hace que la superficie de carrera sea resbaladiza para el esquí alpino y el snowboard en primavera. Esta tecnología fue introducida al mercado en 1986 por Hertel Wax. [5] En 1990, Hertel presentó una patente estadounidense sobre una "cera para esquís para usar con esquís de nieve con base sinterizada", que contiene parafina, una cera endurecedora, aproximadamente un 1% de perfluoroéter diol y un 2% de surfactante SDS. [6] Las marcas comerciales de las ceras Hertel son Super HotSauce, Racing FC739, SpringSolution y White Gold. [5] En la década de 1990, el químico jefe de Swix , Leif Torgersen, encontró un aditivo para la cera de deslizamiento que repelía el polen y otras impurezas de la nieve (un problema con las ceras de agarre suave durante las carreras de larga distancia) en forma de fluorocarbono que se podía incorporar a la base del esquí. La solución se basó en el trabajo de Enrico Traverso de Enichem SpA, que había desarrollado un polvo de fluorocarbono con una temperatura de fusión apenas unos grados inferior a la del polietileno sinterizado , [5] patentado en Italia como "lubricante para esquís que comprende cera parafínica y compuestos de hidrocarburos que contienen un segmento de perfluorocarbono ". [7]
La capacidad de un esquí u otro elemento para deslizarse sobre la nieve depende tanto de las propiedades de la nieve como del esquí para lograr una cantidad óptima de lubricación al derretirse la nieve por fricción con el esquí: si es muy poca, el esquí interactúa con cristales de nieve sólidos; si es demasiada, la atracción capilar del agua derretida retrasa el esquí.
Antes de que un esquí pueda deslizarse, debe superar el valor máximo de fricción estática, , para el contacto esquí/nieve, donde es el coeficiente de fricción estática y es la fuerza normal del esquí sobre la nieve. La fricción cinética (o dinámica) se produce cuando el esquí se mueve sobre la nieve. [8] El coeficiente de fricción cinética, , es menor que el coeficiente de fricción estática tanto para el hielo como para la nieve. [9] [10] La fuerza necesaria para deslizarse sobre la nieve es el producto del coeficiente de fricción cinética y la fuerza normal: . [11] Tanto el coeficiente de fricción estática como la cinética aumentan con temperaturas de nieve más frías (también es cierto para el hielo). [10]
Los copos de nieve tienen una amplia gama de formas, incluso mientras caen; entre ellas se encuentran: dendritas hexagonales en forma de estrella , agujas hexagonales, plaquetas y bolitas de hielo. Una vez que la nieve se acumula en el suelo, los copos comienzan inmediatamente a sufrir una transformación (llamada metamorfismo ), debido a los cambios de temperatura, la sublimación y la acción mecánica. Los cambios de temperatura pueden deberse a la temperatura ambiente, la radiación solar, el agua de lluvia, el viento o la temperatura del material debajo de la capa de nieve. La acción mecánica incluye el viento y la compactación. Con el tiempo, la nieve a granel tiende a consolidarse [12] —sus cristales se truncan al romperse o perder masa con la sublimación directamente de sólido a gas y con el congelamiento-descongelamiento, lo que hace que se combinen como cristales de hielo gruesos y granulares. [13] [14] Colbeck informa que la nieve fresca, fría y artificial interactúan más directamente con la base de un esquí y aumentan la fricción, lo que indica el uso de ceras más duras. Por el contrario, las nieves más antiguas, cálidas y densas presentan una menor fricción, en parte debido al mayor tamaño del grano, lo que promueve mejor una película de agua y una superficie más lisa de los cristales de nieve, para lo cual están indicadas ceras más suaves. [15]
Colbeck ofrece una descripción general de los cinco procesos de fricción de los esquís sobre la nieve. Estos son: 1) resistencia debido al arado de la nieve, 2) deformación de la nieve sobre la que se desplaza el esquí, 3) lubricación del esquí con una fina capa de agua derretida, 4) atracción capilar del agua de la nieve hacia la base del esquí y 5) contaminación de la nieve con polvo y otros elementos no resbaladizos. El arado y la deformación pertenecen a la interacción del esquí, en su conjunto, con la nieve y son insignificantes en una superficie firme. La lubricación, la atracción capilar y la contaminación son problemas que afectan a la base del esquí y a la cera que se aplica para reducir la fricción por deslizamiento o lograr un agarre adecuado. [15]
Por lo general, un esquí deslizante derrite una película delgada y transitoria de capa lubricante de agua, causada por el calor de la fricción entre el esquí y la nieve al pasar. Colbeck sugiere que el espesor óptimo de la película de agua está en el rango entre 4 y 12 μm . Sin embargo, el calor generado por la fricción puede perderse por conducción a un esquí frío, disminuyendo así la producción de la capa de fusión. En el otro extremo, cuando la nieve está húmeda y caliente, la generación de calor crea una película más gruesa que puede crear un mayor arrastre capilar en la parte inferior del esquí. [15] Kuzmin y Fuss sugieren que la combinación más favorable de propiedades del material de la base del esquí para minimizar la fricción de deslizamiento del esquí sobre la nieve incluye: mayor dureza y menor conductividad térmica del material de la base para promover la generación de agua derretida para lubricación, resistencia al desgaste en nieve fría e hidrofobicidad para minimizar la succión capilar. Estos atributos se logran fácilmente con una base de PTFE , lo que disminuye el valor agregado por las ceras deslizantes. [16] Lintzén informa que otros factores además de la cera son mucho más importantes para reducir la fricción en los esquís de fondo: la curvatura del esquí y las condiciones de la nieve. [17]
La cera deslizante se puede aplicar a esquís alpinos, tablas de snowboard, esquís de patinaje, esquís clásicos, esquís de travesía y esquís de travesía. Las ceras tradicionales están compuestas por hidrocarburos sólidos. Las ceras de "fluorocarbono" de alto rendimiento también contienen flúor, que sustituye una fracción de los átomos de hidrógeno de los hidrocarburos por átomos de flúor para lograr coeficientes de fricción más bajos y una mayor repelencia al agua que la cera de hidrocarburo pura. [18] La cera se ajusta en cuanto a dureza para minimizar la fricción por deslizamiento en función de las propiedades de la nieve, que incluyen los efectos de: [18]
Existen diversas ceras de deslizamiento diseñadas para rangos de temperatura específicos y otras propiedades de la nieve, con diferentes durezas de cera y otras propiedades que abordan la repelencia de la humedad y la suciedad. La dureza de la cera de deslizamiento afecta el derretimiento de la nieve para lubricar su paso sobre la superficie y su capacidad para evitar la succión del agua derretida en la nieve. Un derretimiento insuficiente y bordes afilados de cristales de nieve o demasiada succión impiden el paso del esquí. Un punto de inflexión entre el punto en el que el tipo de cristal domina la fricción de deslizamiento y el punto en el que domina el contenido de humedad se produce alrededor de los 26 °F (−3 °C). Las ceras más duras abordan condiciones de nieve más frías, secas o abrasivas, mientras que las ceras más blandas tienen un coeficiente de fricción más bajo, pero se desgastan más fácilmente. Las fórmulas de cera combinan tres tipos de cera para ajustar el coeficiente de fricción y la durabilidad. De duras a blandas, incluyen ceras sintéticas con 50 o más átomos de carbono, ceras microcristalinas con 25 a 50 átomos de carbono y ceras de parafina con 20 a 35 átomos de carbono. [18] Los aditivos para dichas ceras incluyen grafito , teflón , silicio , fluorocarbonos y molibdeno para mejorar el deslizamiento y/o reducir la acumulación de suciedad. [19]
La cera deslizante se puede aplicar en frío o en caliente. Las aplicaciones en frío incluyen frotar cera dura como un crayón, aplicar cera líquida o cera en aerosol. [20] Las aplicaciones en caliente de la cera incluyen el uso del calor de una plancha, una lámpara infrarroja o un horno de "caja caliente". [21]
La función de la cera deslizante es adaptar y mejorar las propiedades de fricción de la base de un esquí a las propiedades de la nieve que se esperan encontrar en un espectro que va desde la nieve cristalina fría hasta la nieve granular saturada. Las bases de esquí modernas a menudo están hechas de polietileno de peso molecular ultra alto (UHMWPE) . Kuzmin afirma que el UHMWPE no es poroso y no puede retener ni cera ni agua, por lo que no hay posibilidad de rellenar los poros; además, afirma que el UHMWPE es muy hidrófobo, lo que significa que la nieve húmeda no retarda apreciablemente el esquí y que la cera deslizante ofrece poca capacidad adicional para repeler el agua. Señala que las bases transparentes son más duraderas e hidrófobas que las que tienen contenido de carbono. [1] El mismo autor afirma que la textura es más importante que la química de la superficie para crear el equilibrio óptimo entre una superficie de carrera que es demasiado seca (no lo suficientemente resbaladiza) y demasiado húmeda (esquí sujeto a fuerzas de succión). En nieve cálida y húmeda, la textura puede ayudar a romper la atracción capilar retardante entre la base del esquí y la nieve. [21] Giesbrecht coincide en que un ángulo de humectación bajo de la base del esquí es clave y también enfatiza la importancia del grado de rugosidad de la superficie a escala micrométrica como función de la temperatura de la nieve: la nieve fría favorece una superficie más suave y la nieve más húmeda y cálida favorece una superficie texturizada. [22] Algunos autores cuestionan la necesidad de utilizar ceras deslizantes en las bases de esquí modernas. [23] [24]
Los esquiadores de fondo utilizan una cera de agarre (también llamada "cera de patada") para esquís encerables de estilo clásico para proporcionar tracción con fricción estática en la nieve que les permite impulsarse hacia adelante en terrenos llanos y cuesta arriba. Se aplican en un área debajo del pie del esquiador y que se extiende, algo hacia adelante, que está formada por la curvatura del esquí clásico, llamada "zona de agarre" (o "zona de patada"). [25] La presencia de curvatura permite que los esquís se agarren a la nieve, cuando el peso está en un esquí y el esquí está completamente flexionado, pero minimiza la resistencia cuando los esquís tienen el mismo peso y, por lo tanto, están menos que completamente flexionados. Las ceras de agarre están diseñadas para rangos de temperatura y tipos de nieve específicos; una cera de agarre correctamente seleccionada no disminuye apreciablemente el deslizamiento de los esquís que tienen la curvatura adecuada para el peso del esquiador y para las condiciones de la nieve. [5] Hay dos sustancias que se utilizan para la cera de agarre: cera dura y klister.
Algunos esquís no tienen cera, es decir, tienen una textura similar a la de escamas de pescado u otra para evitar que se deslicen hacia atrás. [29] Los esquiadores de montaña utilizan pieles de escalada adheridas temporalmente para proporcionar agarre en las subidas, pero normalmente se las quitan para descender. [30]
La cera se puede disolver con disolventes no polares como los alcoholes minerales . [28] Sin embargo, algunos disolventes de cera comerciales están hechos de aceite de cítricos , que es menos tóxico, más difícil de encender y más suave para la base del esquí. [31]
La cera para esquís puede contener sustancias químicas con posibles efectos sobre la salud, incluidas sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS). Se ha demostrado que los niveles de ácidos carboxílicos perfluorados , especialmente ácido perfluorooctanoico (PFOA) , aumentan en los técnicos de cera para esquís durante la temporada de esquí. [32] [33] [34]
Al esquiar, la fricción entre la nieve y los esquís hace que la cera se desgaste y permanezca en la capa de nieve hasta el deshielo primaveral. [35] Luego, el deshielo se drena hacia cuencas hidrográficas, arroyos, lagos y ríos, modificando así la química del medio ambiente y la cadena alimentaria. Los PFAS en la cera de esquí son resistentes al calor, química y biológicamente estables y, por lo tanto, ambientalmente persistentes. [36] Se ha demostrado que se acumulan en animales que están presentes en las pistas de esquí. [37] La Federación Internacional de Esquí (FIS) anunció la introducción de una prohibición de los PFAS en ceras en todas las disciplinas de esquí competitivas a partir de la temporada de invierno de 2020/21. [38]
para superficies de contacto dadas, μ k < μ s
La cera básica para esquí está hecha de hidrocarburos sólidos. Algunas empresas de ceras también venden cera que contiene flúor. Con estas ceras, algunos, la mayoría o todos los átomos de hidrógeno de los hidrocarburos han sido reemplazados por átomos de flúor. Este nuevo compuesto se llama fluorocarbono y ofrece coeficientes de fricción muy bajos y una alta repelencia al agua.
