Teorie skluzu, část I. - slepé uličky

 Teorie skluzu – část I., slepé uličky 

 

Abychom mohli správně provádět servis lyží pro zlepšení skluzných vlastností na sněhu či ledu, měli bychom – vedle mnoha dalších znalostí, např. těch o sněhu a vlivech počasí, těch o skluznicích a jejich složení, těch o vlastnostech lyží a způsobu přenášení zatížení a silových účinků od lyžaře, přes stavbu lyže až po skluznici klouzající po sněhové pokrývce, těch o složení a aplikaci nejrůznějších skluzných prostředků – znát alespoň základní principy, na základě kterých se skluz mezi povrchem skluznice a sněhové pokrývky odehrává.

 

Ano, dnes bude řeč o principech tření mezi povrchem skluznice a sněhové či ledové pokrývky.

 

Na úvod si musíme říci, že bádání a výzkum v této oblasti jsou extrémně komplikované, v důsledku čehož docházelo – a bohužel stále dochází – k četným zjednodušením, v jejichž důsledku nebyly a nejsou informace o podmínkách skluzu mezi lyží a sněhem právě příliš spolehlivé.

 

Na úvod se tedy připomeneme některé ze slepých uliček a omylů.

 

Testování na ledu

 

Většina starších odborných či vědeckých prací popisujících či zkoumajících podmínky skluzu mezi povrchem skluznice a povrchem sněhové pokrývky čerpala svá experimentální data z testů a zkoušek na ledu.

 

Důvod byl a je velmi prostý. Sníh podléhá enormně rychle velmi složitým transformacím, které je velmi složité podchytit. Důvodem je komplexnost sněhové pokrývky, která je tvořena 1) pevnými částicemi, tedy různě velkými a různě tvarovanými sněhovými krystaly a zrny, 2) vzduchovými kavitami o různé velikosti a různého celkového poměru ve sněhové pokrývce, 3) primárně při teplotách vzduchu nad nulou tzv. volnou vodou vyskytující se v prostorech mezi zrny a krystaly nebo přímo na povrchu sněhu, 4) propojujícími či provazujícími prvky, které dílem pružně a dílem křehce provazují a propojují jednotlivé pevné částice do matrice či rastru. 

 

Změny / transformace či metamorfózy sněhové pokrývky pak vedou ke změnám podmínek testů. Testy za proměnlivých zkoušek nejsou validní.

 

Proto se celá řada výzkumníků uchylovala k ledu. Transformace u ledu jsou jednak mnohem pomalejší, jednak se led mnohem jednodušeji reprodukuje. Led je tedy ve srovnání se sněhem velmi stabilní a snadno reprodukovatelný.

 

Dlouho se myslelo, že výsledky z testů a zkoušek prováděných na ledu platí, s drobnými korekcemi pro podmínky na sněhu, vždyť sníh je koneckonců tvořen ledem.

 

Bohužel se ale ukazuje, že tento předpoklad byl velmi nesprávný. Podmínky tření na ledu a sněhu se zásadním způsobem liší, a to tak zásadním způsobem, že informace získané ze zkoušek a testů na ledu jsou pro podmínky na sněhu prakticky nepoužitelné.

 

Testování v laboratořích na malých vzorcích

 

Aby se pro testy a zkoušky zajistily co možná nejpřesnější a nejlépe kontrolované podmínky (teplota vzduchu a sněhu, vlhkost, podíl vody, struktura sněhu / ledu atd.) prováděla se měření v laboratořích na zařízeních zvaných tribometry.

 

Aby však bylo možné měření realizovat v laboratorních podmínkách, bylo nutné reálné lyže (běžecké či sjezdové) zásadním způsobem zmenšit. Vznikly tak vzorky lyží pro laboratorní zkoušky vyrobené ze stejných materiálů jako lyže skutečné (tělo lyže, skluznice, hrany, patka, inserty atd.), nicméně mnohonásobně zmenšené.

 

Bohužel se také ukázalo, že výsledky získané na mini-vzorcích používaných v laboratořích se významně liší od podmínek na skutečných / reálných lyžích. Zkrátka a dobře mini-lyže se na sněhovém či ledovém povrchu chová úplně jinak, než lyže reálné velikosti a tvaru.

 

Zjištění, že výsledky získané v laboratořích pomocí mini-lyží jsou pro praxi a reálný popis podmínek skluzu mezi skluznicí lyže a povrchem sněhu či ledu nepoužitelné, vedlo k zavedení tribometrických zařízení, která umožňují testovat v laboratorních, tedy kontrolovaných a replikovatelných podmínkách reálně lyže. Vznikl tak např. large scale tribometer in Innsbruck umožňující testování skutečných lyží za kontrolovaných a replikovatelných podmínek.

 

Zajíždění stopy

 

Asi největší problém pro replikovatelnost testů prováděných na sněhu (od testů na ledu se na přelomu století začalo upouštět) je tzv. zajíždění stopy, a to jak při testech laboratorních, tak při testech polních.

 

Sníh je látka, která velmi rychle podléhá velmi komplexním transformačním procesům. Zkrátka a dobře sníh se neustále mění a přetváří. Sníh se přetváří a proměňuje také tím, že se ve stopě jezdí. Jinými slovy: druhý pár testovaných lyží již jede v jiné stopě, než ve které jel pár první. Jsou sněhové podmínky, kde jsou transformace povrchu sněhu velmi rychlé a rozsáhlé, existují také sněhové podmínky, které jsou spíše stabilní a změny probíhají spíše pomalu, nicméně změny – rychlé a zásadní nebo pomalé a drobné – probíhají vždy.

 

Zajíždění testovacích stop a jejich proměny vlivem skluzu projíždějících lyží je téma, se kterým je nutné se zjevně smířit.

 

Kontaminace testovacích stop

 

Servisní team jednoho tuzemského národního teamu jezdí pravidelně testovat nové lyže, skluznice a skluzné přípravky do tunelu v Oberhofu, Německo.

 

Po jednom rozsáhlém testování těsně před začátkem sezóny „Rybis“ uvedl, že společně s nimi testovaly ve skluzné stopě další dva teamy, ale že je to „OK“, protože stoupací přípravky se testovaly ve stopě jiné.

 

Když si uvědomíme, 1. že každý přípravek se musí otestovat v několika jízdách, 2. že mnoho přípravků – zvláště liquidů a speederů – drží na skluznici spíše silou vůle, než chemickými vazbami, 3. že každý průjezd více či méně proměnil testovací stopu po tribologické stránce, 4. že desítky až stovky průjezdů, při kterých se do testovací stopy uvolňovaly nejrůznější chemické látky, proměňovaly testovací stopu chemicky i fyzikálně, 5. že servisní team našich biatlonistů nemohl tušit, co v testovací stopě zkouší další teamy, tedy že podstatná část chemických látek, které se do stopy uvolňovaly, byly neznámé, pak mohli kluci šikovní jít raději někam na dobré pivo, neb posezení u vychlazeného Kozlíka s přáteli by bylo zcela jistě mnohem smysluplnější 

 

Závěr

 

Získávání spolehlivých a věrohodných informací o podmínkách skluzu mezi povrchem skluznice a sněhové pokrývky je velmi složité. Nicméně i slepé uličky evoluce jsou pokrokem. Tedy s výjimkou diletantismu v podání českého biatlonového servisního týmu. To je pouze ztráta času a mrhání prostředků 

 

 

 

Jak vybrat lyže se správnou skluznicí? Část III.

 Jak vybrat lyže se správnou skluznicí? Část III.

V předchozím příspěvku jsme se věnovali aditivům zlepšujícím kluzné a mechanické vlastnosti skluznic běžeckých lyží, a to primárně grafitu a fluoru. Dnes jsou na pořadu dne barviva a antioxidační přípravky, které nám umožní se trochu zevrubněji podívat na fenomén oxidace skluznice jako takový.

Barviva

Barviva se přidávají do skluznic běžeckých lyží jednak z reklamních důvodů, jednak z důvodu rozdílného absorbování jednotlivých složek slunečního záření různě barevnými povrchy. Konkrétně se pak jedná o rozdílné absorbování viditelného světla, ultrafialového záření a infračerveného záření odraženého sněhovou pokrývkou.

Sníh velmi dobře odráží jak viditelné světlo, tak ultrafialové záření, o něco méně dobře záření infračervené, která na něj dopadají nejen během slunečných dnů, nýbrž i při zamračené obloze. Povrchem světlé, tedy neznečištěné sněhové pokrývky odražené viditelné světlo, ultrafialové a infračervené záření pak následně ovlivňuje kluzné vlastnosti skluznice lyže.

Tmavé barvy skluznice (např. černá) pak více světla a záření absorbují a méně odrážejí, naopak světlé barvy (např. transparentní) více světla a záření odrážejí a méně absorbují.

Efekt rozdílného absorbování viditelného světla a dalších složek slunečního záření odraženého od sněhové pokrývky se rovněž využívá pro zlepšení kluzných vlastností. Např. za velmi chladných, ale zároveň slunečných podmínek bude černá skluznice absorbovat větší množství jednotlivých komponent slunečního záření, které se odrazily od sněhové pokrývky, a může se tak lépe a rychleji „ohřát“. Ohřátá skluznice pak bude přispívat k produkci vodního filmu za chladných podmínek a díky tomu ke změně režimu tření mezi skluznicí a sněhovou pokrývkou, respektive vodním filmem. Změna třecího režimu z hraničního na chladný smíšený pak povede ke snížení koeficientu tření. Nižší koeficient tření pak znamená lepší skluz!

Až budete vybírat svým ratolestem lyže s barevnou skluznicí z pestré palety výrobci nabízených barev (vedle klasické černé a transparentní se nabízí zelená, modrá, žlutá, červená, fialová atd.), pak prosím nezapomínejte na to, že různé barvy rovněž různě ovlivňují kluzné vlastnosti. Ale dětem klidně dopřejte fialovou nebo červenou!

Antioxidační přípravky

Skluznice oxiduje, vlastní UHMWPE o něco méně, aditiva o něco více. Příčiny oxidace skluznice běžeckých lyží jsou různé, důsledky oxidace jsou ale vždy fatální.

Základní příčinou oxidace skluznice je kontakt s molekulami kyslíku obsaženými v běžné atmosféře, proto doporučujeme zvláště po sezóně před uskladněním lyží napustit skluznici dostatečně silnou vrstvou ochranného vosku, který zamezí přístupu kyslíku ke skluznici, a tím oxidaci v době uskladnění. Jednoduché a účinné! Kam kyslík nemůže, to nezoxiduje…

K oxidaci skluznice však dochází také při vlastním lyžování. Tření vytvářené při klouzání skluznice po povrchu sněhové pokrývky a vodního filmu vede – mimo jiné – ke štěpení vody na H+ a OH- s enormním chemickým potenciálem. OH- se díky negativnímu náboji velmi dobře váže na skluznici lyže, kde následně způsobuje oxidaci povrchu skluznice.

Oxidaci dále podporuje používání nevhodných servisních přípravků jako např. měděných, bronzových či mosazných kartáčů. Kontakt UHMWPE s mědí způsobuje na povrchu skluznice tvorbu tzv. volných radikálů, které následně způsobují silnou oxidaci.

Z předchozích příspěvků víme, že UHMWPE jako základní materiál skluznice je tvořen velmi dlouhými a navzájem propletenými molekulárními C-H řetězci. Uvnitř skluznice je mezi těmito molekulárními řetězci minimální volný prostor, nicméně na povrchu skluznice tvoří tyto řetězce jakési svazky či shluky, které volně vyčnívají na povrch. Tyto volně vyčnívající „vlásky“ či „chloupky“ mají délku cca 100 až 250 nm a je mezi dostatečný prostor pro molekuly kyslíku nebo hydroxidové ionty. A právě tyto volně vyčnívající vlásky molekulárních řetězců UHMWPE jsou nejrychleji a nejsnadněji zasaženy oxidací.

Zoxidované vlásky UHMWPE se následně extrémně dobře váží se sněhovými krystaly, čím ostřejší jsou sněhové krystaly, tím lépe se na ně zoxidované vlásky UHMWPE váží. Jakmile se na zoxidované vlásky UHMWPE naváží sněhové či ledové krystaly, skluznice začne drhnout, a kromě servisního zásahu nepomůže prakticky nic…

Základní způsob, jak zabraňujeme oxidaci povrchové nano-struktury skluznice je napouštění voskem. Je to tak, jeden z hlavních důvodů, proč na skluznici lyže aplikujeme kluzné vosky, je ochrana skluznice před oxidací při vlastním lyžování.

A protože i výrobci skluznic lyží jsou si velmi dobře vědomi fatálních důsledků oxidace na životnost a kluzné vlastnosti skluznice přidávají do základního materiálu různá aditiva omezující oxidaci UHMWPE. Častými antioxidanty používanými ve skluznicích běžeckých lyží jsou BHT, MBMBP nebo TDE, dále pak fosfitové estery nebo fenothiaziny. Volba a způsob použití vhodného antioxidačního prostředku však ovlivňuje celá řada faktorů, zvláště pak chemická struktura UHMWPE a způsob zpracování.

Bez ochrany skluznice pomocí kluzných vosků však ani nejlepší antioxidanty nezabrání relativně rychlé oxidaci povrchové nano-struktury skluznice.

Jakým způsobem je ale skluznice lyže chráněna voskem při vlastním lyžování?

Je samozřejmé, že při lyžování nemůžeme nechat na skluznici silný ochranný film vosku, který na skluznici lyže zůstane po napouštění skluznice voskem před uskladněním.

Je to tak, přebytečný vosk musíme ze skluznice před vlastní jízdou odstranit, aby nebrzdil a nezvyšoval tření. Co tedy skluznici lyže chrání primárně před působením OH- a následnou oxidací?

Jak již víme, je povrch skluznice tvořen flexibilními svazky molekulárních řetězců UHMWPE, které jaksi volně vyčnívají z hmoty skluznice, mají délku cca 100 až 250 nm a je mezi nimi relativně velký volný prostor. A právě tento volný prostor mezi jednotlivými molekulárními nano-vlásky na povrchu skluznice je hlavním místem, kde ulpívají molekuly kluzného vosku, které se tímto způsobem provazují se základním materiálem skluznice. Na molekulární úrovni tedy vzniká jakási nová kluzná vrstva tvořená molekulárními řetězci základního materiálu skluznice na straně jedné a molekulárními řetězci kluzných vosků na straně druhé.

Tato nová kluzná vrstva nejenom zlepšuje kluzné vlastnosti skluznice vyladěné podílem kluzného vosku na konkrétní sněhové podmínky, nýbrž základní materiál skluznice, tedy UHMWPE účinně chrání před oxidací, která by zásadním způsobem zhoršila kluzné vlastnosti a životnost skluznice.

Ale pozor! U dětských lyží lze oxidaci využívat také pozitivně, tedy pokud Vás úplně netrápí kratší životnost skluznice. Pokud na skluznici dětských lyží nějakou dobu neaplikujete kluzný vosk, dojde k oxidaci molekulárních vlásků na povrchu skluznice. Na vlásky se pak budou dobře vázat sněhové a ledové krystaly a lyže nepojedou, ba co víc, při pokročilejší oxidaci budou dokonce stoupat do kopce i bez stoupacích vosků, budou děti lépe poslouchat a nebudou se soustavně rozjíždět do všech stran, zkrátka a dobře nepojedou… A vězte, že budou situace, kdy tuto vlastnost Vaše děti zcela jistě ocení! 

 

 

Jak vybrat lyže se správnou skluznicí? Část II.

 Jak vybrat lyže se správnou skluznicí? Část II.

V předchozí části příspěvku jsme si vysvětlili, že na kvalitu a parametry skluznice, a tedy skluzných vlastností lyže má vliv především technologický postup, kterým byla skluznice vyrobena, a materiál, který byl k výrobě skluznice lyže použit.

Další vlastnost, na kterou bychom se měli při výběru nových lyží s ohledem na skluznici zaměřit, jsou aditiva neboli další materiály, které byly do skluznice z různých důvodů přidány.

K základním aditivům přidávaným do skluznic běžeckých lyží patří:

·      Aditiva pro zlepšování skluzných vlastností

·      Aditiva pro zlepšování mechanických vlastností

·      Barviva

·      Antioxidační přípravky

·      UV-stabilizátory

·      Antistatické přípravky

Aditiva pro zlepšování skluzných a mechanických vlastností

Grafit

Grafit je asi nejčastějším aditivem ve kluznicích běžeckých lyží, a to možná také proto, že je velmi levný. Grafit propůjčuje společně s Carbon Black skluznici dnes typickou sytě černou barvu. Grafit je tzv. tuhý lubrikant, který má díky své lamelární struktuře velmi nízký koeficient tření. Díky své vynikající elektrické vodivosti zlepšuje grafit elektrostatické vlastnosti skluznice. Grafit je také velmi lehký, a proto při vyšší podílu v základním materiálu skluznice (UHMWPE) snižuje její hmotnost.

Grafit je bohužel také jeden z nejměkčích materiálů, a proto zásadním způsobem snižuje celkovou tvrdost skluznice, což je v tzv. hraničním režimu tření mezi skluznicí lyže a sněhovou pokrývkou extrémně nevýhodné, protože v hraničním režimu tření je právě tvrdost skluznice hlavním parametrem, který zlepšuje skluzné vlastnosti.

Bohužel primárně v hraničním režimu se na finální hodnotě tření mezi skluznicí lyže a sněhovou pokrývkou podílí také tzv. elektrostatické tření, které grafit díky své výborné elektrické vodivosti významně snižuje. V hraničním režimu tření je tedy využití grafitu rozporuplné.

Jsou-li sněhové podmínky spíše pouze agresivní a abrazivní, bez podílu elektrostatické třecí složky, pak za daných podmínek doporučujeme používat skluznice bez přídavku grafitu a usilovat o co nejvyšší tvrdost skluznice. Pokud naopak panují sněhové podmínky s vysokým podílem elektrostatické třecí složky (studený skřípavý sníh), doporučujeme skluznice s vysokým přídavkem grafitu, a to i přes klesající tvrdost skluznice.

V ostatních režimech tření (primárně hydrodynamickém, ale i teplém a studeném smíšeném třecím režimu) je skluznice s přídavkem grafitu vždy správná volba, pouze ve studeném smíšeném režimu musíme být obezřetní při sněhových podmínkách s narůstající abrazí.

Mějme prosím také na paměti, že primárně při abrazivních podmínkách se do prostředí grafit uvolňuje v podobě nanočástic, které se mají tendenci usazovat primárně v plicích.

Ve skluznicích závodních lyží může být použit také fluorizovaný grafit, jehož koeficient tření je ještě nižší než COF grafitu, a to především díky zvětšené vzdálenosti mezi jednotlivými vrstvami lamelové struktury grafitu. Fluorizovaný grafit však ztrácí elektrickou vodivost a nezlepšuje tedy elektrostatické vlastnosti skluznice.

Pokud by Vás tedy trenéři Vašich dětí přesvědčovali, že pro své ratolesti potřebujete různé lyže na studené a teplé podmínky, doporučujeme pro teplé podmínky skluznici s grafitem (tedy černou) a pro studené podmínky skluznici transparentní (tedy světlou). 

Fluor

Vedle fluorizovaného grafitu se můžete setkat i s fluorizovaným polyethylenem. Podobně jako vosky je také skluznice lyží tvořena uhlovodíkovými molekulárními řetězci. Molekulární řetězce C-H v základním materiálu moderních skluznic (UHMWPE) mohou být modifikovány takovým způsobem, že některé atomy vodíku jsou nahrazeny atomy fluoru. Jedná se tedy o tzv. částečně fluorizovaný UHMWPE, tedy určitou obdobu částečně fluorizovaných kluzných vosků.

V jiných případech byl fluor do skluznic lyží přidáván jako PTFE, neboli TEFLON. Granulovaný teflon se přidával do skluznic při procesu sintrování.

Předpokládalo se, že fluor obsažený ve struktuře skluznice je odolnější vůči sublimaci a vyčpívání než fluor obsažený v kluzných voscích. Je velká otázka, zda tomu tak opravdu bylo. Jedno je však jisté, fluor se do skluznic přidával a na rozdíl od vosků tam – alespoň na začátku – opravdu byl.

Nepředpokládáme, že byste dětem kupovali lyže s fluorizovaným grafitem, fluorizovaným UHMWPE nebo s přídavkem PTFE, ale kdyby nějakého šikovného obchodníčka v lokální speciálce napadlo se takových lyží na Váš účet zbavit, tak prosím vězte, že i přesto, že zákaz fluoru se Vašich dětí netýká, je fluor obsažený přímo ve struktuře skluznice stejně nebezpečný jako fluor obsažený ve fluorových voscích! Fluor je prostě FUJ!

Disulfid molybdenu

Disulfid molybdenu má vynikající lubrikační vlastnosti a jedinečné mechanické vlastnosti, jako jsou odolnost vůči oděru, pružnost, přilnavost a chemickou stálost. Vynikající lubrikační vlastnosti disulfidu molybdenu jsou dány jeho jedinečnou krystalickou mřížkou, kde jsou jednotlivé vrstvy či lamely spojeny slabými van der Waals vazbami, takže vykazují velmi nízký smykový odpor, zatímco síra a molybden jsou v rámci jednotlivých lamel provázány pevnými kovalentními vazbami, díky kterým jsou jednotlivé lamely velmi odolné proti oděru. Z těchto důvodů zlepšuje disulfid molybdenu jak kluzné, tak mechanické vlastnosti skluznic lyží. 

Carbon Black / Nylon / Graphen

Každý výrobce se snaží získat prakticky jakoukoli konkurenční výhodu spočívající ve zlepšení skluzných vlastností na straně jedné a zlepšení odolnosti vůči oděru na straně druhé. Jako aditiva ovlivňující primárně mechanické a sekundárně skluzné vlastnosti se ve skluznicích lyží mohou vyskytovat materiály jako Carbon Black, nylon či grafén.

Grafén je tvořen jedinou vrstvou uhlíkových atomů uspořádaných ve struktuře včelí plástve, zlepšuje odolnost a pružnost, vykazuje extrémní elektrickou vodivost a má nízkou hmotnost. K nevýhodám grafénu jako aditiva do skluznic lyží patří především vysoká cena a velmi dobrá tepelná vodivost. Zvláště v tzv. hraničním režimu a studeném smíšeném režimu tření mezi skluznicí a sněhovou pokrývkou je vysoká tepelná vodivost velmi nevýhodná, jelikož odvádí teplo z místa kontaktních bodů, které by mohlo být využito pro produkci vodního filmu.

Carbon Black je jemný černý prášek, který primárně zvyšuje pevnost, houževnatost a odolnost vůči oděru. Přidává se spíše do skluznic sjezdových lyží, nicméně jeho použití pro běžecké lyže na studené a vysoce abrazivní podmínky je rovněž výhodné. Carbon Black také zvyšuje elektrickou vodivost skluznice.

Nylon se přidává do skluznic běžeckých lyží primárně za účelem zvýšení odolnosti vůči oděru, kdy se nylonová vlákna rozpustí do lineární mřížky polyethylenu. Nylon jako aditivum do běžeckých lyží je tedy vhodný primárně pro studené a abrazivní podmínky.

Na rozdíl od grafitu a fluoru uvádíme tato aditiva spíše pouze pro úplnost či celkový přehled. S jejich přítomností či nepřítomností v dětských lyžích si rozhodně hlavu lámat nemusíte… Oni tam pravděpodobně stejně nebudou 