Teorie skluzu, část II. - teorie třecího tepla a hydrodynamický režim tření

 Teorie skluzu, část II., teorie třecího tepla a hydrodynamický režim tření

 

Asi nejrozporuplnější teorie skluzu… Teorie třecího tepla tvrdí, že tření mezi povrchem skluznice a povrchem sněhové pokrývky produkuje teplo, které má dostatečně velký energetický potenciál na to, aby docházelo k natavování sněhové pokrývky a produkci vodního filmu mezi povrchem skluznice a povrchem sněhu.

 

S teorií třecího tepla jsou následně „provazovány“ tři základní režimy tření:

 

·      Hydrodynamický režim tření

·      Smíšený režim tření

·      Hraniční režim tření

 

 

 

Obrázek č. 1: schématické znázornění základních principů tření, zdroj: D.A. Moldestad, Some Aspects of Ski Base Sliding Friction and Ski Base Structure, Dr. Thesis, 1999

 

 

 

Obrázek č. 2: schématické znázornění závislosti tření mezi povrchem skluznice a povrchem sněhové pokrývky na tloušťce vodního filmu, zdroj: D.A. Moldestad, Some Aspects of Ski Base Sliding Friction 

and Ski Base Structure, Dr. Thesis, 1999

 

 

Hydrodynamický režim tření 

 

V hydrodynamickém režimu tření má být povrch skluznice a povrch sněhové pokrývky zcela oddělen „silným“ vodním filmem. Produkce další „vody“ a tedy nárůst tloušťky vodního filmu v důsledku třecího tepla mezi povrchem skluznice a povrchem sněhové pokrývky jsou považovány za nežádoucí či negativní jev. Tvar křivky na obrázku č. 2 zobrazující závislost koeficientu tření na tloušťce vodního filmu naznačuje, že s narůstající tloušťkou vodního filmu narůstá rovněž koeficient tření, nicméně i při maximálních v grafu zohledněných tloušťkách vodního filmu je COF výrazně nižší než tam, kde se žádný vodní film nevyskytuje, tedy v hraničním režimu tření. V hydrodynamické režimu tření tedy teorie třecího tepla „vysvětluje“ nárůst tření, tedy vyšší COF, tedy horší skluzné vlastnosti tím, že tepelná energie vytvářená třením produkuje další vodu a tím zvyšuje tloušťku vodního filmu, narůstající tloušťka vodního filmu pak zvyšuje tření, tedy zpomaluje lyži, zhoršuje skluz. Tření = třecí teplo, třecí teplo = více vody, více vody = silnější vodní film, silnější vodní film = horší skluz.

 

Je tomu ale opravdu tak?

 

Trochu ano, ale více ne!

 

Na úvod je nutné říci, že nejnovější výzkumy a měření ukazují, že právě v hydrodynamickém režimu tření jsou koeficienty tření absolutně nejvyšší, jsou dokonce výrazně vyšší než v tzv. hraničním režimu tření, tedy na vodě lyže jednoduše nejedou, nebo jedou velmi špatně… Každý z nás si jistě vybaví zkušenost, když ve vysoké rychlosti vjel z tvrdé umrzlé stopy ve stínu do měkkého mokrého sněhu na osluněných partiích tracku či sjezdovky, jeden má v tu chvíli co dělat, aby to ustál bez pádu.

 

Dalším omylem je produkce vody způsobená třecím teplem. V hydrodynamickém režimu jsou oba povrchy opravdu velmi často zcela odděleny vodním filmem. Ačkoli je voda špatný lubrikant, neprodukuje skluz po vodním filmu a s ním spojené tření žádné závratné množství tepelné energie. Za vysoké hodnoty koeficientu tření odpovídají zjevně jiné efekty.

 

Zkrátka a dobře není výskyt vodního filmu mezi oběma povrchy, tedy povrchem sněhu a povrchem skluznice způsoben třecím teplem, nýbrž přirozeným táním sněhu a ledu při teplotách vzduchu nad nulou. Jak již víme z článku o metamorfózách sněhu, ustálí se teplota sněhu při teplotách vzduchu nad bodem mrazu na nule a na nule zůstává tak dlouho, dokud se nerozpustí poslední kousek ledu, pak začne teplota vody pozvolně stoupat.

 

Bez ohledu na druh sněhu začínají tát a přecházet z pevného do kapalného skupenství nejprve nejsubtilnější tvary sněhových krystalů nebo zrn. Vzniklá „volná“ voda nejprve vyplňuje vzduchem vyplněné prostory mezi pevnými částicemi. Čím hustší sníh, tím méně vzduchových kavit uvnitř sněhové pokrývky a tím rychleji začne proces tání vytvářet vodní film přímo na povrchu sněhu, tedy stopy.

 

Např. u starého hrubozrnného sněhu tvořeného zpravidla velkými zakulacenými sněhovými zrny navzájem provázanými tzv. můstky či krčky, začínají při teplotách vzduchu nad nulou roztávat nejprve můstky a krčky a následně povrch ledových zrnek. Prostor mezi jednotlivými zrnky začne být vyplňován vodou a postupujícím procesem tání začnou jednotlivá zrna jaksi „plavat“ ve vodním „láku“. Zde již zpravidla mluvíme o velmi mokrém či zvodnělém sněhu, plném volné vody a zpravidla také nečistot.

 

Vodní film mezi skluznicí lyže a povrchem sněhu se buď na povrchu stopy přímo nachází, nebo je voda při skluzu lyže vytlačována k povrchu a následně skluznicí roztahována do délky a do šířky.

 

Co ale způsobuje ony vysoké hodnoty koeficientu tření právě za mokrých podmínek s výskytem vodního filmu?

 

Víme, že hodnoty koeficientu tření jsou za mokra, tedy za přítomnosti vodního filmu zdaleka nejvyšší, a to napříč všemi podmínkami, na kterých se lyžuje. Na vodě to prostě nejede!

 

Nabízí se velmi jednoduchá odpověď: voda je špatný lubrikant a neklouže / nejede. Tato odpověď si bohužel protiřečí s vysvětlením, proč jsou koeficienty tření v tzv. smíšeném režimu, tedy za situace, kde se skluz odehrává dílem na vodě a dílem na pevných částech sněhové pokrývky, extrémně nízké.

 

Pokud by za vysoké koeficienty v hydrodynamickém režimu zodpovídaly pouze a jenom špatné lubrikační vlastnosti vody, pak by se tyto špatné lubrikační vlastnosti musely zákonitě projevit i ve smíšeném režimu.

 

Další možná odpověď jsou sací síly, kapilární krčky a smykové síly uvnitř vodního filmu. Vodní film se má tendenci přisávat k hladkému povrchu skluznice, při následném oddálení povrchu skluznice se mají vytvářet kapilární krčky mezi oběma povrchy, které brzdí, než prasknou. Vedle toho mají uvnitř kapaliny, na jejímž povrchu se odehrává skluz pevného tělesa, tedy lyže, působit smykové či střižné síly, které opět brzdí.

 

Dlouho se myslelo, že právě hrubé a hluboké vzory struktur určené pro mokré až velmi mokré podmínky zodpovídají za to, že tyto sací, kapilární a smykové síly zvyšující tření, a tedy zhoršující skluzné vlastnosti lyží za mokrých podmínek, mohou být omezovány právě a díky hrubým a hlukovým strukturám. Hluboké a široké drážky měly zabraňovat tvorbě velkoplošných kapilárních krčků. 

 

Aktuální četné výzkumy a testy však ukazují, že pozitivní efekt tzv. hrubých struktur za mokrých podmínek není zdaleka tak přímočarý, jak bylo po mnoho let tradováno, což zároveň oslabuje význam sacích sil a kapilárních krčků pro vysoké hodnoty COF za mokrých podmínek.

 

Jinou odpověď na otázku, proč lyže za mokra nejedou, lze hledat v kontaktní ploše. Za mokrých podmínek se skutečná plocha skluznice, u běžeckých lyží např. 4,5 x 180 cm = 810 cm2, u sjezdových lyží např. 10 x 180 cm = 1800 cm2, rovná více či méně kontaktní ploše. Kontaktní plocha je tedy v důsledku přítomnosti vodního filmu maximálně možná, či extrémní. Pro srovnání si uveďme velikost skutečné kontaktní plochy mezi skluznicí a sněhem za podmínek tzv. hraničního režimu tření, která odpovídá přibližně 1% celkové plochy skluznice, u běžeckých lyží tedy cca 8 až 10 cm2, u sjezdových lyží pak cca 18 až 20 cm2.

 

Extrémní kontaktní plocha představuje extrémní potenciál pro interakce mezi oběma povrchy, a právě v extrémní ploše a v extrémním množství vzájemných interakcí je – dle našeho názoru – nutné hledat příčiny oněch extrémních hodnot COF za mokrých podmínek, tedy skutečnou odpověď na otázku, proč lyže za mokra nejdou!

 

O jaké interakce se jedná, jak působí a proč mají tak velký vliv na skluz lyží, proč právě vosky s fluorem zásadně zlepšovaly skluz za mokra? Tak to vše si povíme zase někdy příště 