Nuevos materiales, vieja física: la ciencia detrás de cómo tu chaqueta de invierno te mantiene abrigado

A medida que el clima se vuelve frío este invierno, es posible que usted sea uno de los muchos estadounidenses que sacan sus chaquetas de invierno del armario. Esta capa adicional no solo puede mantenerte abrigado en un día frío, sino que las chaquetas de invierno modernas también son un testimonio de la física centenaria y la ciencia de materiales de vanguardia.

Las chaquetas de invierno te mantienen abrigado al gestionar el calor a través de los tres modos clásicos de transferencia de calor (conducción, convección y radiación) y, al mismo tiempo, siguen siendo transpirables para que el sudor pueda escapar.

En la chimenea, la transferencia de calor se realiza mediante los tres métodos: conducción, convección y radiación. La radiación es responsable de la mayor parte del calor transferido a la habitación. La transferencia de calor también se produce por conducción hacia el suelo de la habitación, pero mucho más lentamente. La transferencia de calor por convección también se produce cuando el aire frío ingresa a la habitación alrededor de la ventana y el aire caliente sale de la habitación y sube por la chimenea. Física de la Universidad de Douglas 1207, CC BI

La física existe desde hace siglos, pero las innovaciones materiales modernas representan un gran avance que ha permitido que esos principios brillen.

Vieja ciencia con un nuevo brillo

Los físicos como nosotros que estudiamos la transferencia de calor a veces vemos la ciencia térmica como “poblada”. Isaac Newton describió por primera vez el enfriamiento convectivo, la pérdida de calor causada por el movimiento de un fluido que elimina energía térmica de una superficie, a principios del siglo XVIII. La teoría analítica del calor de Joseph Fourier en 1822 puso la conducción (la transferencia de energía térmica por contacto físico directo) sobre una base matemática.

Los trabajos de Joseph Stefan y Ludwig Boltzmann a finales del siglo XIX, seguidos por los trabajos de Max Planck a principios del siglo XX, convirtieron la radiación térmica (la transferencia de calor mediante ondas electromagnéticas) en un pilar de la física moderna.

Todos estos principios proporcionan la base para el diseño de materiales modernos. Sin embargo, lo que hoy parece nuevo no son las ecuaciones sino los textiles. Durante las últimas dos décadas, los ingenieros han desarrollado fibras sintéticas ultrafinas que retienen el calor de manera más efectiva y tratamientos que hacen que el plumón natural repele el agua en lugar de absorberla. Diseñaron membranas transpirables llenas de pequeños poros que permiten que el sudor escape, finas capas reflectantes que devuelven el calor corporal, revestimientos que almacenan y liberan calor a medida que cambia la temperatura y materiales ultraligeros.

Juntas, estas innovaciones brindan a los diseñadores mucho más control que nunca sobre la calidez, la transpirabilidad y la comodidad. Por eso las chaquetas son ahora más cálidas, ligeras y secas de lo que Newton o Fourier podrían haber imaginado.

Atrapa aire quieto, fugas lentas

La conducción es el flujo directo de calor desde su cuerpo caliente a su entorno más frío. En invierno, todo ese calor que se escapa de tu cuerpo te hace sentir frío. El aislamiento combate la conducción atrapando el aire en una red de pequeñas bolsas, lo que ralentiza la pérdida de calor. Mantiene el aire quieto y alarga el camino que debe recorrer el calor para escapar.

Los segmentos abullonados de la chaqueta están rellenos de plumón. Victoria Kotliarchuk/iStock vía Getty Images

El plumón alto crea grupos de plumas suaves y expansivos que crean volumen dentro de la chaqueta acolchada. En combinación con modernas fibras sintéticas, la parte inferior inmoviliza el aire caliente y ralentiza su salida. Nuevos tipos de telas infundidas con materiales ultraligeros y altamente porosos llamados aerogeles contienen aún más aislamiento en capas sorprendentemente delgadas.

Domar el viento, proteger la capa límite

Una buena chaqueta de invierno también debe resistir el viento, que puede eliminar la fina capa límite de aire cálido que se forma naturalmente a tu alrededor. Una chaqueta con una buena capa exterior bloquea la acción del viento con un tejido denso que retiene el calor. Algunas chaquetas también tienen una capa exterior de laminación para mantener el agua y el aire frío fuera, y un patrón tejido para sellar cualquier vía a través de la cual el calor pueda filtrarse alrededor de puños, dobladillos, solapas y cuellos.

La capa de membrana exterior de muchas chaquetas es impermeable y transpirable. Evita la lluvia y la nieve y también permite que el sudor escape en forma de vapor de agua. Esta característica es crucial porque el aislamiento, como el plumón, deja de funcionar si se moja. Pierde pelusa y no retiene el aire, lo que significa que te enfrías rápidamente.

Cómo gestionan el calor las chaquetas modernas: a la izquierda, una típica capa aislante; a la derecha, capas que atrapan el aire, bloquean el viento y reflejan el calor infrarrojo sin añadir volumen. Wang Xiong y Longji Cui

Estas conchas también bloquean el viento, lo que protege la burbuja de aire caliente que crea tu cuerpo. Al detener el viento y el agua, la capa exterior crea un espacio silencioso y seco como aislamiento que hará su trabajo y te mantendrá abrigado.

Nuevos trucos para reflejar el calor infrarrojo

Incluso en el aire en calma, el cuerpo libera calor emitiendo ondas invisibles de energía térmica. Las chaquetas modernas resuelven esto mediante el uso de nuevos tipos de telas y tecnología que hacen que la superficie interior de la chaqueta refleje el calor de su cuerpo. Este tipo de superficie tiene el efecto de una sutil manta espacial que agrega una calidez notable sin agregar volumen.

Sin embargo, es importante cómo los fabricantes de chaquetas aplican ese material reflectante. Cubrir todo el material con papel de aluminio reflejaría mucho calor, pero no permitiría que el sudor se escapara y podrías sobrecalentarte.

Algunos forros utilizan un patrón de micropuntos: los puntos reflectantes devuelven el calor, mientras que los espacios entre ellos mantienen el material transpirable y permiten que escape el sudor.

Otro enfoque traslada esta tecnología a la parte exterior de la prenda. Algunos diseños añaden un patrón de material reflectante a la capa exterior para evitar que el calor irradie al aire frío.

Cuando esas manchas exteriores son de color oscuro, también pueden absorber un toque de calor del sol. Este efecto es similar a los revestimientos de ventanas que atrapan el calor del interior mientras aprovechan la luz solar para agregar más calor.

El calor sólo importa si te mantienes seco. El sudor que no puede escapar humedece la capa aislante de la chaqueta y acelera la pérdida de calor. Es por eso que los mejores sistemas de invierno combinan tejidos interiores que absorben la humedad con opciones de ventilación y membranas cuyos poros permiten que el vapor de agua escape mientras que el agua líquida no.

que viene

Las finas superficies reflectantes desvían el calor infrarrojo, similar al efecto de “manta espacial” utilizado en los forros de las chaquetas modernas y aeroespaciales. Vincent Benault/The Image Space vía Getty Images

Describir dónde viaja el calor a través de los textiles sigue siendo un desafío porque, a diferencia de la luz o la electricidad, el calor se difunde por casi todo. Pero nuevos tipos de materiales y superficies únicos con patrones ultrafinos permiten a los científicos controlar mejor cómo viaja el calor a través de los textiles.

La gestión térmica en la ropa es parte de un desafío más amplio de gestión térmica en ingeniería que incluye microchips, centros de datos, naves espaciales y sistemas de soporte vital. Todavía no existe una chaqueta de invierno universal para todas las condiciones; la mayoría de las prendas son pasivas, es decir, no se adaptan a su entorno. Nos vestimos para el día que creemos que afrontaremos.

Pero algunos investigadores en ingeniería están trabajando en textiles que se adapten al medio ambiente. Piense en las telas que abren agujeros microscópicos a medida que aumenta la humedad y luego los cierran nuevamente con aire seco y amargo. Recubrimientos de pintura que reflejan más calor bajo el sol abrasador y menos en la oscuridad. O un loft que se infla cuando estás afuera en el frío y se desinfla cuando entras. Es como un disfraz de ciencia ficción hecho práctico: una prenda que siente, decide y sutilmente se reconfigura sin que toques la cremallera.

Las chaquetas actuales no necesitan una nueva ley de la termodinámica para funcionar: combinan la física básica con el uso de materiales diseñados con precisión y tejidos térmicos diseñados específicamente para retener el calor. Ese matrimonio es el motivo por el que la ropa de invierno actual parece un salto adelante.