Jak ale strukturování za podmínek tzv. hraničního režimu tření funguje? Co jsou základní principy a veličiny, které bychom se měly snažit ovlivňovat?
Je to tak, abychom mohli používat správně struktury v tzv. hraničním režimu tření, musíme jim rozumět, musíme chápat – alespoň rámcově, co se to tam dole pod skluznicí děje. Můžeme samozřejmě – podobně jako někteří naši přední odborníci na strukturování – navrhovat nové, mnohovrstvé struktury, měnit hloubku, tvar, přítlak, rychlost posuvu atd., aniž bychom tušili, jaký vliv má který parametr, protože, jak naši mistři brusu sami říkají, je třeba mít velké cíle… Ale vězte prosím, že podobně jako můj čtyřletý syn nemůže řídit provoz jaderné elektrárny, tak nemůže nikdo, kdo nemá ani páru, ani ánung o tom, jak struktury fungují a jaké parametry mají jaký vliv, ani vymyslet, ani vyvinout žádnou dobrou strukturu, bez ohledu na to, zda je to šéf servisu nebo jiný aparátčík kdovíjakého svazu
Jedna z nejrozšířenějších a aktuálně nejvíce preferovaná teorie říká, že základem funkce struktur v tzv. hraničním režimu tření je třecí teplo. Zní to divně, ale smysl to celkem dává. Minimálně pro podmínky mezi ledovým povrchem a ocelovou čepelí. Z předchozího příspěvku víme, že v hraničním režimu tření se oba povrchy, tedy skluznice lyže na straně jedné, a sníh na straně druhé, dotýkají v oblasti asperit, tedy největších nerovností. Víme, že za těchto podmínek je skutečná kontaktní plocha mezi lyží a sněhem velmi malá a že v kontaktních bodech působí relativně vysoký tlak, který je společně s drsností obou povrchů zdrojem relativně velkého tření. A tření vytváří teplo.
Dobře. Ale jak s třením a teplem souvisí strukturování? Díky jemné struktuře se sice zvětší celková plocha skluznice, ale skutečná kontaktní plocha mezi povrchem skluznice a povrchem sněhu se naopak ještě zmenší, rapidně se zmenší počet kontaktních bodů. A protože fyzika funguje i u lyžařů, tak při stejném zatížení (strukturování nemá – Bohu dík – žádný vliv na hmotnost lyžaře) a menší ploše opět vzroste tlak. V důsledku vyššího tlaku se dle této teorie zvýší tření. Vyšší tření vygeneruje více tepla. A? Jednoho teď musí napadnout, že kvůli strukturování jsme dosáhli přesně opačného efektu, než o který jsme usilovali, neb tření se nám naopak zvýšilo, tedy skluz lyže bude ještě horší a energeticky náročnější. To je sice pravda, ale pouze zčásti, respektive pouze v počáteční fázi. Protože – dle teorie třecího tepla – vyšší tření, vyrobí více tepla a větší množství tepla nataví mikroskopické kontaktní plochy. A? A začne se vytvářet vodní film. A? A vodní film začne na straně jedné působit jako lubrikant a jak víme – třeba ze sexu – zvláště tekutý lubrikant prudce snižuje tření, na straně druhé začne vodní film oddělovat povrchy, čímž začne přebírat část zatížení a díky tomu snižovat tlak, a s poklesem tlaku a narůstající lubrikovanou plochou začne prudce klesat tření… A? A lyže lépe klouže!
Podle teorie třecího tepla tedy správně zvolené strukturování zlepšuje produkci vodního filmu, a tím umožňuje změnu třecího režimu z tzv. hraničního třecího režimu do tzv. smíšeného režimu tření za chladných podmínek.
Obrázek č. 1: a) nenarušený povrch jemnozrnného sněhu, za zmínku stojí krčky či můstky propojující jednotlivá zrna, vznikající primárně při transformaci sněhu, b) v červeném orámování povrch sněhu natavený v důsledku působení tepla (v tomto případě otisk prstu), zdroj: J. H. Lever et. col., Evidence that abrasion can govern snow kinetic friction, Journal of Glaciology, 2018
Teorii třecího tepla podporuje – mimo jiné – skutečnost, že základní materiál skluznice, tedy UHMWPE je vynikající izolant, tedy kromě toho, že prakticky nevede elektrický proud, velmi špatně přenáší teplo. Pokud tedy teplo neodchází přes – izolující – skluznici směrem do lyže, odchází přes kontaktní body směrem do sněhové pokrývky, kde – jak postuluje teorie třecího tepla – natavuje mikroskopické kontaktní body a generuje vodní film.
Z pohledu teorie třecího tepla je naopak problematický grafit, který se ve formě sazí přidává takřka do všech závodních a většiny sintrovaných skluznic lyží. Grafit je totiž nejenom tzv. tuhý lubrikant. Podobně jako tuhý deodorant účinně snižuje pocení, tak grafit coby tuhý lubrikant výborně snižuje tření, a to díky své unikátní lamelární molekulární struktuře.
Obrázek č. 2: schematické znázornění molekulární struktury grafitu, kde atomy uhlíku v jednotlivých lamelách jsou vázány pevnými vazbami, zatímco jednotlivé vrstvy či lamely mezi sebou pouze velmi slabými silami, zdroj: R. Swar, Effects of Materials and Texturing on Wettability of Ski Base, Degree Project, 2022
Zatímco atomy uhlíku v jednotlivých vrstvách jsou vázány velmi pevnými kovaletními vazbami, jsou jednotlivé vrstvy neboli lamely mezi sebou vázány velmi slabými van der Waals silami, díky čemuž lamely po sobě krásně kloužou. Díky svým lubrikačním vlastnostem snižuje tedy grafit tření přímo v mikroskopických kontaktních bodech mezi nerovnostmi na skluznici a nerovnostmi na sněhové pokrývce, čímž částečně oslabuje nárůst třecího tepla v počáteční fázi kontaktu.
To ale není hlavní problém grafitu pro teorii třecího tepla. Jak jsme uvedli výše, je grafit nejenom výborný tuhý lubrikant, nýbrž také vynikající vodič. A jako vynikající vodič nejenom vede výborně elektrickou energii (což je u tření na studeném, suchém a krystalickém sněhu velmi preferovaná vlastnost), nýbrž vede také výborně teplo, ano, přesně to teplo, které je v teorii třecího tepla využíváno k natavování kontaktních bodů a produkci vodního filmu. Teplo, které je díky enormně vodivému grafitu odvedeno z místa kontaktních bodů do těla lyže, pak zpomaluje a oddaluje produkci vodního filmu a kontakt mezi skluznicí lyže a sněhem je déle řízen zákony tzv. hraničního tření, a to nikdo nechce…
Kromě lubrikačních vlastností a enormní vodivosti má grafit ještě jednu nikoli právě vítanou vlastnost pro podmínky tzv. hraničního režimu tření. Která to je? Grafit je měkký, extrémně měkký. A proto s rostoucím podílem grafitu ve skluznici (u závodních lyží může být podíl grafitu až 20 %) narůstá riziko poklesu tvrdosti skluznice. A právě tvrdost skluznice je ústředním tématem druhé teorie, která vysvětluje efekty strukturování za podmínek slabého vodního filmu neboli tzv. hraničního režimu tření… ale o té si povíme zase někdy příště!
Obrázek č. 2: tabulka specifikující vlastnosti speciální závodní skluznice pro studené podmínky od společnosti ISOSPORT. Co všechno zde můžeme vyčíst? Obsah sazí, tedy grafitu až 20 %, ale zároveň velmi dobrá tvrdost, tedy 65 shore D, vysoká hustota, tedy 0,985 g/cm3 a slušná schopnost absorbovat vosk 1,8 g/cm2, zdroj: internetová stránka společnosti ISOSPORT VERBUNDTEILE Austria
Teorie třecího tepla tedy postuluje, že strukturováním ještě více snížíme plochu kontaktních bodů mezi sněhem a skluznicí, čímž zvýšíme tlak a tření. Toto zvýšené tření má produkovat více třecího tepla. Teplo získané třením pak natavuje kontaktní body a generuje vodní film, vodní film postupně mění režim tření z hraničního na smíšený. Se změnou třecího režimu má prudce klesat tření, a tedy zlepšovat se skluz. Tak tedy dle teorie třecího tepla zlepšuje strukturování skluz v podmínkách hraničního režimu. Ale je tomu opravdu tak???
Žádné komentáře:
Okomentovat