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 

 

 

 

 

 

 

 

 

Kde se vzaly, tu se vzaly skiny! Část II.

Kde se vzaly, tu se vzaly skiny…

JAK MOHÉR VLASTNĚ FUNGUJE?

 

Abychom si mohli na tuto otázku odpovědět, musíme si nejprve vysvětlit, jak takové skiny vlastně fungují. Mohérový pásek se nachází pouze v tzv. stoupací komoře, tedy v místech, kde se u běžných lyží na klasiku nanáší stoupací vosk. Mohérový pásek tedy nahrazuje stoupací vosk. Jak ale takový stoupací vosk, a tedy mohérový pásek má vlastně správně fungovat?

 

Stoupací vosk aplikovaný ve stoupací či odrazové komoře musí být dostatečně lepivý na to, aby na sebe ve fázi odrazu „navázal“ či „nalepil“ sněhové krystaly či zrna a umožnil tak odraz při plném zatížení lyže, zároveň však nesmí být příliš lepivý na to, aby umožnil ve fázi navazujícího skluzu snadné či hladké „setření“ sněhových krystalů, které se na stoupací vosk v předchozí fázi odrazu navázali.

 

Pokud je stoupací vosk málo lepivý, nenaváží se sněhové krystaly na stoupací vosk vůbec, nebo pouze nedostatečně a lyže podkluzuje, je-li stoupací vosk naopak příliš lepivý, naváží se sněhové krystaly vosk příliš intenzivně a nedojde k jejich následnému oddělení či setření ve fázi skluzu, v tomto případě lyže drhne – sníh nalepený na stoupací vosk zhoršuje nebo zcela znemožňuje skluz.

 

A ačkoli by si mnozí z nás přáli, aby mohérový pásek fungoval na jiném – hlubším či sofistikovanějším – principu, fungují také lyže s mohérovým páskem neboli skiny na úplně stejném principu. Chloupky mohéru musí krystaly sněhu ve fázi odrazu při plném zatížení lyže navázat a umožnit tak odraz, následně pak ve fázi skluzu snadno pustit a umožnit jejich setření, a tedy skluz.

 

V čem je tedy problém, stoupací vosk i mohér fungují na stejném principu, mohér ale na rozdíl od stoupacích vosků ani nepodkluzuje, ani nenamrzá… V čem je tedy problém?

 

Zatímco stoupací vosky reagují na nekonečnou paletu sněhových podmínek prakticky nekonečnou paletou různých stoupacích vosků, různými délkami stoupací komory a různými tloušťkami naneseného stoupacího vosku, má mohér k dispozici pro tutéž nekonečnou paletu sněhových podmínek – počínaje čerstvě napadlým prachovým sněhem při teplotách pod nulou, vlhkým či lehce mokrým novým vatovým sněhem při teplotách kolem nuly, přes staré znečištěné hrubozrnné mokré až vodou nasáklé jarňáky až po ledovaté, hladké či extrémně abrazivní firny – pouze a jenom jeden typ vlasu či chloupků, bez možnosti měnit délku pásu nebo výšku vlasu.

Proč nepoužívat univerzální stoupací vosky?

Neděláme to v našich příspěvcích příliš často, ale dnes se negativně vymezíme vůči jedné celé skupině stoupacích vosků, a to vůči tzv. univerzálům či univerzálním stoupacím voskům. Naštěstí není tato skupina stoupacích vosků nijak velká či početná, ale i tak by se dal z ostudy, kterou stoupacím voskům dělá, ušít nejeden kabát...

Proč tato příkrost a vyhraněnost?

Abychom mohli lépe porozumět tomu, proč jsou univerzální stoupací vosky (až na ojedinělé výjimky) tak škodlivé, musíme odbočit a povědět si nejprve něco málo o sněhu.

Sníh, obecné označení bezpočtu forem a tvarů proměňujících se při prakticky nekonečné škále povětrnnostních a dalších doprovodných vlivů. V jazyku Eskymáků prý žádné obecné označení pro sníh neexstuje, existuje v něm prý bezpočet označení pro nejrůznější stavy či podoby či formy sněhu a pro změny stavu těchto podob či forem vyvolanými bezpočtem povětrnostních vlivů či dalšími okolnostmi.

Díky našemu smyslu pro řád, kterým se snažíme uspořádat vesmírný chaos, který nás pravděpodbně až příliš děsí na to, abychom se jej snažili pochopit takový jaký je, se snažíme sníh a jeho nekončené podoby a proměny utřídit a kategorizovat.

Víme, že vše začíná novým sněhem nebo čerstvě napadlým sněhem. Samozřejmě jsme si vědomi, že již kategorie "nový sníh" v sobě zahrnuje bezpočet "podkategorií", a to v závislosti na tom, za jakých podmínek ten konkrétní nový sníh padal. Jiný nový sníh padá při teplotách kolem nuly, kdy se z nebe snášejí velké těžké vločky tvořící jakési chuchvalce bezpočtu drobných sněhových vloček, jiný nový sníh padá při teplotách hluboko pod nulou, kdy vzduchem poletují křehké prachové vločky s velmi jasnými a ostrými konturami sněhových krystalů.

Nový sníh se však bezprostředně po napadnutí začíná proměňovat či transformovat... Křehké sněhové krystaly se lámou, jsou ovlivňovány podložím, na které dopadnou, vlivem slunečních paprsků neprodleně tají a zaoblují se, vlivem větru se hutní či nabalují, nabírají vlkost nebo se naopak dále vysušují a křehnou až zvoní či praskají...

Ano, mluvíme stále o novém či čerstvě napadlém sněhu...

Má někdo z Vás stále ještě pocit, že tuto paletu forem, tvarů, proměn a transformací je možné pokrýt či "vyřešit" jednou jedinou látkou, hmotou či substancí?

Pokud ano, pak je to buď blázen, nebo nakoukl za oponu vědění příliš daleko a bude za blázna tak jako tak považován...

Univerzální vosky se však neomezují na jednu jedinou kategorii "sněhu" zahrnující bezpočet "subkategorií", univerzální vosky si troufají rovnou na všechny kategorie "sněhu", počínaje čerstvě napadaným novým sněhem, přes jemnozrnný starý sníh, hrubozrnný starý sníh až po ledovatý abrazivní firn na staně jedné a mokrý až kašovitý vodou prosycený jarňák na straně druhé...

Univerzály si hrají na bohy a falešní proroci se odjakživa vyháněli bičem...

Abychom ale mohli ještě lépe porozumět tomu, proč je myšlenka univerzálních vosků tak pošetilá, musíme si také osvětlit, jak má takový stoupací vosk správně fungovat.

Stoupací vosky nanášíme do stoupací zóny pro docílení spolehlivého odrazu, který nám umožní pohyb vpřed na běžeckých lyžích na klasiku. Dobrý odraz - bohužel - ovlivňuje celá řada nejrůznějších faktorů, z nichž mnohé není lyžař začátečník - bohužel - schopen ovlivnit. O to důlěžitejsí proto je soustředit se na ty faktory, které je možné ovlivnit a které může ovlivnit každý z nás, tedy každý, kdo umí číst a psát, respektive alespoň číst 😀

A jedním z těchto faktorů je správná máza... Jak tedy správná máza funguje? Správná máza funguje tak, že při zatížení jedné lyže celou vahou lyžaře (zde samozřejmě opět zjednodušujeme) umožní spolehlivý odraz, ale při rovnoměrném zatížení obou lyží umožní a příliš negativně neovlivní dobrý skluz.

Jak tedy interaguje sníh a správná máza? Sněhové krystaly - ať již v jakékoli ze svých nekonečných podob a tvarů - se musí do stoupacího vosku při plném zatížení umět zamáčnout či zachytit (a umožnit tak odraz), zároveň se však do stoupacího vosku nesmí zamáčnout či zachytit příliš silně či hluboko, aby se při následném skluzu mohly vosku pustit a být opět setřeny, čímž umožní nerušený tedy dobrý skluz. Pokud se krystaly sněhu nemohou do stoupacího vosku zamáčnout či zachytit vůbec, pak máza prokluzuje, pokud se krystaly sněhu nemohou stoupacího vosku po odrazu naopak pustit a negativně tak narušují následný skluz, pak máza lepí či dokonce namrzá.

Kdo si tedy myslí, že nekonečná paleta sněhových forem a podob vystavená nekonečné paletě změn a transformací může ve výše popsaném mechnismu spolehlivého odrazu a dobrého skluzu fungovat s jednou látkou či substancí, je buď šílenec nebo výrobce univerzálních stoupacích vosků (ale ti si to rozhodně nemyslí).

Výjimka potvrzující pravidlo je RODE Klister Universal Multigrade. Toto ale není univerzální vosk, nýbrž naprosto skvělý klistr pro  specifické podmínky použití!