1. La resistencia al deslizamiento depende de la combinación entre el zapato y el suelo
Cuando caminas por el pasillo de una escuela con zapatillas de interior, es posible que el suelo recién limpiado te haga resbalar. Esta «resistencia al deslizamiento» no se define solo por el zapato o solo por el suelo, sino por la combinación de la suela y la superficie. Los números iniciales son un ejemplo de esto: sobre el mismo suelo de concreto expuesto, la goma tenía valores de 0.72 a 0.73 y el cuero de 0.38 a 0.46 [1]. La regla de lectura es que, cuanto mayor es el número, menor es el deslizamiento.
La base de estos números es el coeficiente de fricción. Se expresa mediante una división que compara la fuerza necesaria para empujar el zapato lateralmente contra la fuerza que lo presiona hacia abajo. Por ejemplo, si la fuerza de presión es 1 y se necesita una fuerza de 0.7 para que empiece a moverse, el número es 0.7 (esta es una cifra ilustrativa, no un dato medido en los documentos). Las combinaciones que requieren una fuerza mayor para moverse se consideran más resistentes al deslizamiento.
Esta es la idea básica del coeficiente de fricción. Sin embargo, los métodos de medición varían según el dispositivo. Por ejemplo, el dispositivo de péndulo que veremos más adelante calcula el número a partir de la disminución de la altura alcanzada, mientras que las pruebas JIS lo obtienen dividiendo la fuerza horizontal por la fuerza de presión. Entonces, ¿cuándo y con qué herramientas se pudieron medir por primera vez estos números?
Nota de seguridad: Los dispositivos de péndulo calculan el valor a partir de la reducción de la altura de oscilación, mientras que las pruebas JIS A 1454 y las de calzado de seguridad lo hacen a partir de la relación entre la carga horizontal y la vertical.
2. Cómo se mide el deslizamiento con un trozo de tacón fijado a un péndulo
En ese informe se creó un «medidor de deslizamiento de suelo» portátil. Se fijaba un trozo de tacón de zapato (de 4 cm de lado) al extremo de un péndulo y se deslizaba 10 cm sobre el suelo. A partir de la disminución de la altura a la que el péndulo subía en el lado opuesto, se obtenía el coeficiente de antideslizamiento [1]. El informe señala que, hasta ese momento, no existía nada que expresara el grado de deslizamiento del suelo mediante números. Fue un paso adelante respecto a una época en la que el deslizamiento se describía solo por sensaciones.
El método de medición también considera el movimiento de caminar. Al caminar, el deslizamiento ocurre más fácilmente justo después de que el tacón del pie adelantado toca el suelo. Se sabía, gracias a los tacones desgastados, que este ángulo de contacto es de 10 a 30 grados [1]. Por ello, el medidor permitía fijar la pieza de la suela a 10, 20 y 30 grados. Se intentaba capturar el momento de la caída al caminar mediante el movimiento del péndulo. Pero, ¿qué sucede cuando ese suelo está mojado por agua o aceite?
3. Por qué los valores de deslizamiento bajan mucho cuando el suelo tiene agua
Incluso con el mismo suelo y la misma suela, los valores pueden cambiar según el lugar de medición. Se considera que, si el suelo se moja con agua o aceite y se forma una capa fina en la superficie, se vuelve mucho más resbaladizo que un suelo seco [1].
¿Por qué disminuye la fricción cuando entra agua? Una investigación sobre la fricción de la goma (que estudiaba neumáticos y carreteras, presentada en un artículo de noticias científicas) ofrece una pista. Cuando la goma se presiona contra una superficie rugosa, se engancha en las pequeñas irregularidades y se deforma; cada vez que esto ocurre, se pierde energía internamente. Esta energía perdida constituye una gran parte de la fricción.
Se explica que, si una pequeña cantidad de agua se acumula y llena las depresiones, la goma ya no llega hasta el fondo de las irregularidades, la deformación disminuye y la fricción baja [2]. Dado que es una investigación sobre carreteras y neumáticos, no se puede afirmar categóricamente que se aplique igual a las suelas de los zapatos. No obstante, es una forma de entender por qué los números pueden caer repentinamente en suelos mojados. Si la cantidad de agua o la forma de tirar difieren, los números variarán en cada medición. ¿Cómo evitan esto las pruebas oficiales?
4. Cómo la prueba JIS A 1454 mide el deslizamiento del suelo tirando de una pesa
Actualmente, la prueba representativa en Japón para medir la resistencia al deslizamiento de los suelos es la JIS A 1454. Se coloca una pesa de 80 kg con una «pieza de deslizamiento» (superficie de contacto de 70 x 80 mm) que simula la suela o la planta del pie en su base, y se tira hacia arriba en diagonal a 18 grados, aumentando la fuerza a 785 N (80 kgf) por segundo. El valor C.S.R se obtiene dividiendo la fuerza máxima de tracción en el momento de iniciar el movimiento por el peso de la pesa (785 N) [3]. Se dice que este método reproduce la acción de empujar el suelo con el pie al caminar.
Este dispositivo de prueba es una maquinaria grande que supera los 150 kg en total. Por ello, es difícil de usar en el terreno, por lo que el inventor, el Sr. Hidetetsu Ono (profesor emérito del Instituto de Tecnología de Tokio), desarrolló una versión portátil reducida. Se ha confirmado que se obtienen datos con la misma tendencia que la máquina JIS (los valores del portátil se distinguen como C.S.R') [3].
También hay cifras de referencia. En los valores recomendados (borrador, 2008) de la Sociedad de Arquitectos de Japón, para pasillos y escaleras interiores, o suelos de baños y lavabos donde se usan calzado, se recomienda un C.S.R de 0.4 o más, y para suelos de habitaciones, 0.3 o más [4]. Sin embargo, es un borrador y no un estándar legal. Los valores cambian si hay agua o arena, y también según el material de la suela. Esta es una prueba que tiene al «suelo» como protagonista. Las pruebas que tienen al «zapato» como protagonista utilizan otros ingenios.
5. Cómo se prueba el deslizamiento de las botas de seguridad sobre una placa con glicerina
La prueba de resistencia al deslizamiento de las botas de seguridad JIS (T 8101) pone el foco en el zapato. Se coloca el zapato sobre una placa de acero inoxidable con una rugosidad de superficie de 0.16 μm o menos, cubierta con glicerina. Se mantiene presionado con 500 N y se mueve la suela horizontalmente a 0.22 m por segundo. Al dividir la carga horizontal medida entre los 0,4 y 0,8 segundos desde el inicio de la medición por la carga vertical, se obtiene el coeficiente de fricción dinámica. El estándar de resistencia al deslizamiento es 0.20 o más [5].
Lo importante aquí es que esta es una prueba para botas de seguridad y de trabajo, no una norma para zapatillas de interior escolares. ¿Se relacionan realmente los números de las máquinas con la facilidad con la que las personas resbalan al caminar? La investigación del Instituto Nacional de Seguridad e Higiene Laboral lo verificó. Se realizaron experimentos caminando en pendientes resbaladizas y dando pasos adelante y atrás con 5 tipos de zapatos con coeficientes de fricción dinámica de 0.12 a 0.64. Como resultado, se encontró que el estándar de 0.20 es razonable para prevenir deslizamientos en movimientos hacia adelante y atrás. Además, por cada 0.1 de aumento en el coeficiente de fricción dinámica, el ángulo en el que comenzaba a deslizarse en la pendiente aumentaba unos 2 grados [5].
Este resultado también fue reportado y el valor de 0.30 fue adoptado como un estándar superior en la revisión de la JIS [5]. En este estudio, compararon los números de la máquina con experimentos de caminata antes de establecer el estándar. Sin embargo, este experimento contó con la participación de 19 hombres adultos y los valores fueron obtenidos bajo condiciones estrictas de placa de acero inoxidable y glicerina. Debe leerse como una historia distinta a la forma de caminar de los niños o al agua en los pasillos de las escuelas. Por cierto, hubo niños que imitaron estas ideas de prueba de manera casera.
Nota de seguridad: La prueba de resistencia al deslizamiento de la JIS T 8101 para botas de seguridad coloca el zapato sobre una placa de acero inoxidable con rugosidad de 0.16 μm o menos cubierta con glicerina, presionando con 500 N verticalmente y moviendo la suela horizontalmente a 0.22 m/s. Cabe destacar que esta es una prueba para calzado de seguridad y trabajo, no una norma para zapatillas escolares. La investigación del Instituto Nacional de Seguridad e Higiene Laboral (JNIOSH-SRR-No.47, 2017) realizó experimentos de caminata en pendientes resbaladizas y pasos adelante-atrás con 5 tipos de zapatos con coeficientes de fricción dinámica de 0.12 a 0.64.
6. Cómo estudiantes de sexto grado igualaron las condiciones con atomizadores y metrónomos
En los materiales de presentación de estudiantes de la Prefectura de Tokio, aparece un proyecto de investigación libre de estudiantes de sexto grado del distrito de Nakano [6]. Pegaron goma, corcho, poliuretano y silicona en la base de tablas de ciprés y las compararon al tirar de ellas sobre una placa de resina con una balanza de muelle, midiendo la fuerza necesaria para iniciar el movimiento.
El suelo mojado se creaba rociando agua 10 veces con un atomizador. La velocidad de tiro se igualaba siguiendo el sonido de un metrónomo. Se tomó el promedio de 3 mediciones por cada caso [6].
En este experimento, la silicona resultó ser la más resistente al deslizamiento, tanto seca como mojada. El poliuretano era resistente al deslizamiento cuando estaba seco, pero se volvía repentinamente más resbaladizo al mojarse [6]. Estos son los resultados de este experimento específico, no una conclusión general sobre los materiales.
También compararon los patrones de la suela. En suelo mojado, entre los patrones comparados en este experimento, el patrón de depresiones redondas fue el más resistente al deslizamiento tanto al iniciar el paso como al apoyar el pie. Sin embargo, si las ranuras se llenaban de agua, se volvía repentinamente más resbaladizo, y si se añadían canales de drenaje, el deslizamiento repentino desaparecía. También se considera que el área de contacto de la goma con el suelo disminuye debido a las ranuras [6]. En terreno arenoso, un patrón de cuadros similar al de las botas de montaña fue más resistente al deslizamiento al iniciar el paso, concluyendo que el patrón más efectivo varía según la situación [6]. Esta ingeniería de determinar la cantidad de agua y la velocidad de tiro tiene la misma lógica que las pruebas JIS que determinan la fuerza de presión y la velocidad. Para comparar números, es crucial «igualar las condiciones y medir varias veces».
7. Cómo comparar en casa el deslizamiento de las suelas de tus zapatos usando ligas
Puedes realizar una comparación similar con cosas que tienes en casa. Sin embargo, no lo pruebes mientras caminas ni sobre suelos mojados, ya que es peligroso si te caes. Coloca una zapatilla de interior boca abajo sobre una mesa, engánchale una liga y tira lentamente en horizontal. Mide con una regla la elongación de la liga justo antes de que la zapatilla empiece a moverse. Realiza 3 mediciones y toma el promedio. Luego, con la supervisión de un adulto, aplica la cantidad de agua de un solo rocío de atomizador sobre la mesa en una posición donde la zapatilla no se caiga, repite la medición y observa cómo cambia la elongación. Al terminar, seca la mesa. Una mayor elongación indica que se requirió una fuerza mayor para iniciar el movimiento, lo que sirve como indicador de una mayor resistencia al deslizamiento. Al comparar con otros zapatos, la clave es igualar las condiciones, como cambiar solo el material de la mesa manteniendo el mismo zapato. Esto es similar a la ingeniería de los estudiantes de primaria que mantuvieron el ritmo de tiro siguiendo un metrónomo. Si los números cambian según el material de la mesa, es una pequeña confirmación de la idea de que la resistencia depende de la combinación de suela y suelo. Si deseas consultar las fuentes originales, el informe de 1959 del Instituto de Seguridad Industrial [1] incluye diagramas y métodos de medición del dispositivo de péndulo en japonés. La revista de noticias forestales de 2011 [3] trata el mecanismo de la máquina de prueba C.S.R, y el informe especial de investigación del Instituto Nacional de Seguridad e Higiene Laboral [5] aborda los experimentos de caminata que fundamentaron las pruebas de calzado de seguridad.
Nota de seguridad: Con la supervisión de un adulto, aplica la cantidad de agua de un solo rocío de atomizador sobre la mesa en una posición donde la zapatilla no se caiga, repite la medición y compárala con el caso seco. Si consultas las fuentes originales, el informe de 1959 del Instituto de Seguridad Industrial [1] permite leer en japonés los diagramas y métodos de medición del dispositivo de péndulo. La revista de noticias forestales de 2011 [3] trata el mecanismo de la máquina de prueba C.S.R, y el informe especial de investigación del Instituto Nacional de Seguridad e Higiene Laboral [5] aborda los experimentos de caminata que fundamentaron las pruebas de calzado de seguridad.