La ciencia detrás de cómo tu chamarra de invierno te mantiene calientito

Con el frío de este invierno, puede que seas una de las personas que ya saca su chamarra de invierno del armario. Esta capa extra no solo te mantendrá abrigado en un día frío, sino que las chamarras de invierno modernas también son un testimonio de la física centenaria y la ciencia de los materiales de vanguardia.

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

La física existe desde hace siglos, pero las innovaciones materiales modernas representan un salto adelante que permite que esos principios brillen.

Ciencia antigua con un nuevo brillo

Los físicos como nosotros, que estudiamos la transferencia de calor, a veces consideramos la ciencia térmica como algo ya consolidado. Isaac Newton describió por primera vez el enfriamiento convectivo, la pérdida de calor provocada por el movimiento de un fluido que extrae la energía térmica de una superficie, a principios del siglo XVIII. La teoría analítica del calor de Joseph Fourier, de 1822, estableció entonces la conducción —la transferencia de energía térmica mediante contacto físico directo— sobre una base matemática.

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

Todos estos principios orientan el diseño de materiales modernos. Sin embargo, lo novedoso hoy en día no son las ecuaciones, sino los textiles. Durante las últimas dos décadas, los ingenieros han desarrollado fibras sintéticas extremadamente finas que retienen el calor con mayor eficiencia y tratamientos que hacen que el plumón natural repela el agua en lugar de absorberla. Han diseñado membranas transpirables llenas de poros diminutos que permiten la salida del sudor, finas capas reflectantes que devuelven el calor corporal, revestimientos que almacenan y liberan calor con los cambios de temperatura, y materiales ultraligeros.

En conjunto, estas innovaciones ofrecen a los diseñadores un control mucho mayor que nunca sobre la calidez, la transpirabilidad y la comodidad. Por eso, las chamarras ahora se sienten más cálidas, ligeras y secas que cualquier cosa que Newton o Fourier pudieran haber imaginado.

Atrapa el aire estancado y frena la fuga

La conducción es el flujo directo de calor desde el cuerpo caliente hacia el entorno más frío. En invierno, todo ese calor que escapa del cuerpo provoca frío. El aislamiento combate la conducción atrapando el aire en una red de pequeñas bolsas, lo que ralentiza la salida del calor. Mantiene el aire en reposo y alarga el camino que el calor debe recorrer para salir.

El plumón de alta densidad conforma los extensos y esponjosos grupos de plumas que crean el volumen interior de una chamarra acolchada. Combinado con modernas fibras sintéticas, el plumón inmoviliza el aire caliente y ralentiza su escape. Nuevos tipos de tejidos, impregnados con materiales ultraligeros y altamente porosos, llamados aerogeles, ofrecen aún más aislamiento en capas sorprendentemente delgadas.

Domar el viento, proteger la capa límite

Una buena chamarra de invierno también debe resistir el viento, que puede erosionar la fina capa de aire cálido que se forma naturalmente a tu alrededor. Una chamarra con una buena capa exterior bloquea el viento gracias a un tejido denso que retiene el calor. Algunas chamarras también cuentan con una capa exterior de laminación que impide la entrada del agua y el aire frío, y un patrón tejido que sella cualquier vía por la que pueda filtrarse el calor alrededor de puños, dobladillos, solapas y cuellos.

La membrana exterior de muchas chamarras es impermeable y transpirable. Impide la entrada de lluvia y nieve, y también permite que el sudor se evapore. Esta característica es fundamental porque el aislamiento, como el plumón, deja de funcionar si se moja. Pierde su volumen y no puede retener el aire, lo que significa que te refrescas rápidamente.

Estas capas 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 crea un espacio tranquilo y seco donde el aislamiento cumple su función y te mantiene abrigado.

Nuevos trucos para reflejar el calor infrarrojo

Incluso en aire quieto, el cuerpo disipa calor emitiendo ondas invisibles de energía térmica. Las chamarras modernas solucionan este problema utilizando nuevos tipos de tela y tecnología que hacen que la superficie interior refleje el calor corporal hacia el cuerpo. Este tipo de superficie tiene un sutil efecto de manta térmica que aporta una calidez notable sin añadir volumen.

Sin embargo, la forma en que los fabricantes de chamarras aplican ese material reflectante es importante. Recubrir todo el material con una película metálica reflejaría mucho calor, pero no permitiría que el sudor escape, lo que podría provocar sobrecalentamiento.

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

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

Cuando esos puntos exteriores son de color oscuro, también pueden absorber un poco de calor del sol. Este efecto es similar al de los revestimientos de ventanas, que retienen el calor en el interior mientras aprovechan la luz solar para añadir más calor.

La calidez solo importa si te mantienes seco. El sudor que no puede escapar humedece la capa aislante de la chamarra y acelera la pérdida de calor. Por eso, los mejores sistemas de invierno combinan tejidos interiores que absorben la humedad con opciones de ventilación y membranas cuyos poros permiten la salida del vapor de agua, a la vez que impiden la entrada del agua líquida.

¿Qué viene?

Describir cómo se propaga el calor a través de los textiles sigue siendo un desafío, ya que, a diferencia de la luz o la electricidad, el calor se difunde a través de casi todo. Sin embargo, nuevos tipos de materiales y superficies únicos con patrones ultrafinos permiten a los científicos controlar mejor cómo se propaga el calor a través de los textiles.

Gestionar la calidez de la ropa forma parte de un desafío más amplio de gestión del calor en la ingeniería, que abarca microchips, centros de datos, naves espaciales y sistemas de soporte vital. Aún no existe una chamarra 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 nos espera.

Pero algunos investigadores de ingeniería están trabajando en textiles adaptables al medio ambiente. Imagine telas que abren microventilaciones al aumentar la humedad y las vuelven a cerrar en aire seco y gélido. Imagine forros que reflejan más calor bajo un sol abrasador y menos en la oscuridad. O telas que se inflan cuando está afuera con frío y se relajan al entrar. Es como un disfraz de ciencia ficción hecho realidad: ropa que detecta, decide y se reconfigura sutilmente sin que usted toque una cremallera.

Las chamarras de hoy no necesitan una nueva ley de termodinámica para funcionar: combinan la física básica con el uso de materiales diseñados con precisión y tejidos térmicos específicamente diseñados para retener el calor. Esa combinación es la que hace que la ropa de invierno de hoy parezca un gran avance.

Longji Cui es profesor adjunto de Ingeniería Mecánica en la Universidad de Colorado en Boulder, y Wan Xiong es estudiante de doctorado en Física e Ingeniería Mecánica en la Universidad de Colorado en Boulder.

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lee el original aquí.