Jak fungují struktury - teorie třecího tepla...

 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???

 

Mýty a omyly při strukturování, aneb jak správně používat manuální struktury - část II. silný vodní film

Mýty a omyly při strukturování, aneb jak správně používat manuální struktury

 

Část II. – mýty, omyly a paradoxy strukturování na mokrém sněhu

 

Začneme silným vodním filmem, který vytváří tzv. sací efekt, tedy kapilární krčky, které mají tendenci přisát se k hladkému povrchu skluznice a nepustit se.

 

Silný vodní film se vytváří v okamžiku, kdy se mezi jednotlivými sněhovými zrny či krystaly vytváří tzv. volná voda, tedy ve chvíli, kdy vodní film na povrchu jednotlivých sněhových zrn či krystalů je natolik silný, že se začíná „přelévat“ do volného – vzduchem vyplněného – prostoru mezi sněhovými zrny či krystaly.

 

Za těchto podmínek nám výrobci lyžařských vosků a servisních přípravků doporučují používat hrubé struktury. Dle jejich názoru umožňují tyto hrubé struktury, aby silný vodní film, který se mezi skluznicí lyže a sněhovou pokrývkou v dané chvíli nachází, lépe či snadněji „odtékal“ díky hrubým širokým drážkám. Tímto rychlejším a efektivnějším „odvodněním“ má být zlepšen skluz na silném vodním filmu. Klíčem k lepšímu skluzu je tedy dle výrobců vosků a přípravků lepší odtékání a efektivnější odvodnění.

 

Kam se ale poděl sací efekt, který je hlavní „brzdou“ při skluzu na silném vodním filmu?  Že by odtekl společně s efektivněji odvedenou vodou? Asi všichni tušíme, že toto nebude to správné vysvětlení.

 

Sací efekt nikam nezmizel, kapilární krčky se u silného vodního filmu mají tendenci přisávat k hladkému povrchu a držet lyži přisátou. A právě hrubá struktura, tedy široké a hluboké drážky zabraňují vytváření velkoplošných kapilárních krčků mezi povrchem skluznice a povrchem sněhové pokrývky tím, že hladkou plochu skluznice rozdělují ostrými hlubokými vrcholy. Díky tomu pak dochází k zásadnímu omezení sacího efektu, a tím k zásadnímu zlepšení kluzných podmínek. Klíčem k lepšímu skluzu na silném vodním filmu je tedy zabraňování tvorby velkoplošných kapilárních krčků.

 

U sněhu ale nebývá – bohužel, nebo možná bohudík – nic úplně jednoduché. Vytváření velkoplošných kapilárních krčků nejlépe zabraňují lineární struktury, které v podélném směru rozčleňují – jinak hladký – povrch skluznice na drážky a vrcholy, které nejsou kapilární krčky schopné překonat. Důležitá je přitom nejenom šířka a více, ale také hloubka. Čím širší a hlubší, tím efektivnější překážka. Pro klasický styl žádný problém, pro bruslení jsou však hluboké a široké lineární drážky nevhodné, a proto je zde nutné hledat kompromis, kterým mohou být hrubé šípovité struktury. Ty nezabraňují tvorbě velkoplošných kapilárních krčků zdaleka tak efektivně, jsou ale mnohem výhodnější pro šípovitý pohyb při volném stylu.

 

Struktury na mokrém sněhu u lyží pro klasický styl

 

Čím širší a hlubší drážky, tím efektivnější překážka pro tvorbu kapilárních krčků, a tím lepší skluz na silném vodním filmu u klasického stylu. Je tomu opravdu tak? Je i není! Neboli někdy je, ale jindy není 

 

O tom, kdy tomu tak je, a kdy tomu tak není, rozhodují dvě veličiny: velikost sněhových zrn či krystalů jako veličina číslo jedna a soudržnost či nesoudržnost sněhových zrn či krystalů jako veličina číslo dva.

 

Na vysoce soudržné sněhové pokrývce, kdy jsou jednotlivá sněhová zrna i přes velké množství volné vody silně provázána, nehraje velikost zrn žádnou zásadní roli, a platí zde: Čím širší a hlubší drážky, tím efektivnější překážka pro tvorbu kapilárních krčků, a tím lepší skluz na silném vodním filmu u klasického stylu. Tyto sněhové podmínky se mohou vyskytovat na silně zledovatělém sněhu, který náhle a prudce povolil. Sníh už obsahuje velké množství volné vody, ale sněhovou pokrývku tvoří stále spíše ledové plochy než jednotlivá – byť velká a oblá – sněhová zrna.

 

Jsou-li sněhová zrna nesoudržná, tedy volně pohyblivá, ale jsou-li velká a oblá, pak i zde platí: Čím širší a hlubší drážky, tím efektivnější překážka pro tvorbu kapilárních krčků, a tím lepší skluz na silném vodním filmu u klasického stylu. Max. rozteč vrcholů u nejhrubší struktury jsou 3 mm, což je naprosto běžná velikost jednotlivých zrn u tzv. hrubozrnného sněhu, kdy jednotlivá velká oblá sněhová zrna plavou v jakémsi láku tzv. volné vody. Jednotlivá zrna jsou tedy dostatečně velká na to, aby i přes svou značnou pohyblivost neucpala široké a hluboké drážky, které by v důsledku toho přestaly plnit svoji funkci při zabraňování tvorby velkoplošných kapilárních krčků, ale navíc by bylo znemožněno i výrobci vosků a servisních přípravků vyzdvihované odvádění vody. K těmto sněhovým podmínkám patří např. klasické jarňáky, tedy hrubozrnný sníh s velkými oblými zrny a velkým podílem volné vody.

 

Mnohem napínavější začne být celá situace ohledně hrubých struktur, tedy širokých a hlubokých drážek pro silný vodní film u mokrého sněhu ve chvíli, kdy se začne průměrná velikost sněhových zrn zmenšovat. A jsou-li tato drobnější zrna navíc ještě dostatečně pohyblivá, pak je s hrubými strukturami na silném vodním filmu na průser zaděláno. Drobnější pohyblivá sněhová zrna velmi rychle ucpou široké a hluboké drážky a jakýkoli dobrý skluz je v hajzlu! Jediná možnost, jak zabránit této tragédii, je použít na starém mokrém jemnozrnném sněhu takovou strukturu, jejíž rozteč mezi jednotlivými vrcholy je menší, než je průměrná velikost jednotlivých sněhových zrn, aby nedošlo k ucpání či zanesení drážek, a to bez ohledu na to, zda jemnější struktura ne zcela efektivně zbraňuje tvorbě velkoplošných kapilárních krčků.

 

Pokud jde zmenšování sněhových zrn ruku v ruce se soudržností, a tedy nepohyblivostí sněhových zrn, pak stojí za to riskovat a zvolit i na jemnozrnném mokrém sněhu hluboké a široké drážky, které efektivně zabrání velkoplošným kapilárním krčkům a dobře odvedou vodu. Tato situace může např. nastat, když do hutného a velmi hustého jemnozrnného sněhu začne náhle pršet, ale sníh se ještě nerozmočil natolik, aby se vazby mezi jednotlivými zrny rozpustili.

 

Naopak opravdu krušno začne být, pokud je efekt drobných sněhových zrn, tedy vlastně krystalů zesílen ostrými hranami nového krystalického sněhu, který je ale dostatečně mokrý na to, aby vytvářel silný vodní film. Ostré sněhové krystaly bezpečně ucpou i relativně jemné drážky, které už budou pouze a jenom drhnout. V takové situaci je lepší nechat skluznici úplně bez drážek a se silným sacím efektem bojovat raději jinými prostředky. Tyto sněhové podmínky mohou nastat, když do nového čerstvého sněhu začne náhle pršet.

 

Nový krystalický sníh, který se nelepí a vlivem přejíždějících lyží se neuhlazuje do skleněné až ledovaté stopy, se – bohudík – vyskytuje opravdu velmi zřídka!

 

Struktury na mokrém sněhu u lyží pro volný styl

 

Problematika struktur na mokrém sněhu, tedy na silném vodním filmu u lyží pro volný styl se řídí stejnými fenomény a veličinami jako problematika struktur na silném vodním filmu u lyží na klasický styl, avšak s tou výjimkou, že paleta nástrojů, tedy struktur, kterými můžeme na danou problematiku reagovat je mnohem menší.

 

Tato skutečnost, tedy menší paleta možných struktur nám umožňuje následující generalizaci: kluzné podmínky u lyží na volný styl budou na silném vodním filmu vždy o něco horší než u lyží na klasiku!

 

Hrubé lineární struktury jsou u lyží na volný styl nepoužitelné. U středních lineárních struktur je použití u lyží na volný styl nutné dobře testovat, stejně jako použití hrubých šípových struktur. Zbývají nám tedy střední a jemné šípové struktury a těmi žádnou díru do světa – tedy alespoň co se zlepšení kluzných podmínek na silném vodním filmu pro lyže na volný styl – neuděláme!

 

A na co se můžeme těšit příště? Podíváme se na některé mýty a paradoxy strukturování na slabém vodním filmu.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Jaké rozlišujeme režimy tření mezi skluznicí a sněhem?

Mýty a omyly při strukturování, aneb jak správně používat manuální struktury

 

Část I. – režimy tření

 

Abychom mohli problematice strukturování skluznic běžeckých lyží lépe porozumět, musíme si uvědomit několik základních skutečností, a sice:

 

      I.         Strukturování, bez ohledu na to, zda se provádí technikou broušení s odběrem materiálu, nebo tlačení s přetvářením materiálu, představuje vždy pouze jeden z prostředků pro ovlivnění kluzných vlastností skluznice, a to tzv. mechanický prostředek.

    II.         Jednotlivé prostředky pro ovlivňování skluzu, bez ohledu na to, zda mechanické, chemické nebo smíšené se vždy musí odvozovat či vztahovat k základním principům tření mezi skluznicí lyže a sněhovou pokrývkou.

   III.         Základní principy tření mezi skluznicí lyže a sněhovou pokrývkou definují fyzikální, mechanické, chemické či tribologické podmínky, za kterých se kontakt, nebo chcete-li skluz, mezi skluznicí lyže a sněhem odehrává.

  IV.         Podmínky konkrétního principu tření pak definují rozhodující vlastnosti či parametry, které skluz za daných podmínek nejvíce či nejintenzivněji ovlivňují.

    V.         Zvolenými mechanickými, chemickými či smíšenými prostředky – a strukturování k nim rozhodně patří – se pak snažíme ovlivnit právě tyto rozhodující vlastnosti či parametry, které skluz v daném principu tření definují či nejvíce ovlivňují.

Bez pochopení těchto souvislostí nemůžeme nikdy dobře pochopit problematiku strukturování…

 

Dost bylo přemítání! Kontakt mezi skluznicí lyže a sněhovou pokrývkou se řídí třemi základními principy tření, a to 

1)    hydrodynamickým principem tření,

2)    smíšenými principem tření a 

3)    hraničním principem 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

 

V rámci každého principu tření pak zpravidla existuje několik podružných mechanismů, jako např. optimální či okrajový smíšený princip tření.

 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

 

Hydro-dynamický režim tření

Obrázek č. 3: schématické znázornění hydrodynamického režimu tření, kde jsou oba pevné povrchy odděleny vodním filmem, zdroj: N.H. Haaland, Nano Ski Wax, Effects and Benefits, Master Thesis, 2013

 

Teoretický rámec

 

Hydrodynamický princip tření je charakterizován silným vodním filmem. Silný vodní film způsobuje, že povrch skluznice, tedy asperity na povrchu skluznice, a povrch sněhu, tedy asperity na povrchu sněhu, se vůbec nedotýkají. Celá hmotnost lyžaře je nesena vodním filmem. Skutečná kontaktní plocha mezi skluznicí a sněhem se rovná nebo blíží skutečné ploše skluznice. Kontaktní plocha má tedy maximální velikost.

 

 

Hlavní zdroje tření

• sací síly
• kapilární krčky
• smykové síly uvnitř vodního filmu

Sací síly

• jsou hlavním zdrojem tření, skluznice lyže se k vodnímu filmu na povrchu sněhu, který vykazuje extrémní smáčivost, “přicucává” a vodní film ji nechce pustit
• tyto síly jsou obrovské, umí víceméně zastavit rozjetého lyžaře 
• příklad 1: vybavte si, co se stane, když na jaře vjedete z lesního umrzlého úseku do sluncem rozbředlého sněhu
• příklad 2: vybavte si, co se stane, pokud postavíte skleničku s vínem na vlhkým hadrem otřený skleněný konferenční stolek

Kapilární krčky

• jakmile překonáte hlavní sací sílu, která drží oba povrchy těsně u sebe (sklenička “přilepená” ke konferenčnímu stolku), je nutné ještě překonat sílu tzv. kalipárních krčků
• kapilární krček znamená, že přisátá voda se “nepustí” hned, ale jakmile se oba přisáté povrchy od sebe začnou oddalovat (např. lyžař začne po skluzu zvedat nohu pro přípavu dalšího odrazu), začne se vodní film - po překonání hlavní sací síly - jaksi “natahovat” (trochu jako žvejkačka), krček začne někdě ve středu slábnout, až se přetrhne
• a síla potřebná k přetržení kapilárního krčku, přirozeně brzdí, “zastavuje” lyžaře

Smykové síly uvnitř kapaliny

• ty se projevují hlavně při vlastním skluzu - když skluznice lyže klouže po vodním filmu na povrchu sněhu
• uvnitř kapaliny působí síly, které je nutné při pohybu jaky “přestřihnout”, aby skluznice lyže mohla klouzat dopředu
• velikost těchto sil je dána primárně vlastnosti vodního filmu, v našem případě specifickým vodním filmem na povrchu sněhu

Veličiny ovlivňující velikost hlavních třecích sil v hydro-dynamickém režimu

• smáčivost
• kontaktní úhel
• hydrofobie
• kontaktní plocha
• drsnost
• aquaplaning
• hydrodynamický tlak a proudění uvnitř kapaliny

Smíšený režim tření

Obrázek č. 4: schématické znázornění smíšeného režimu tření, kde jsou oba pevné povrchy částečně odděleny vodním filmem a částečně se dotýkají, zdroj: K. Kalle et. Col., Charakterisation of the Contact between Cross Country Skis and Snow: a Micro-Scale Study Considering the Ski Base Structure, 2023

 

Teoretický rámec

 

Smíšený režim tření je charakterizován na straně jedné vodním filmem, který částečně odděluje oba povrchy, mezi nimiž dochází ke tření, na straně druhé dílčím kontaktem obou povrchů v oblasti asperit. Vodní film ve smíšeném režimu není tak silný, aby oba povrchy oddělil zcela, má však dostatečnou tloušťku na to, aby byl schopen přenášet podstatnou část zatížení, které na skluznici lyže přenáší lyžař. Ve smíšeném režimu je tedy část zatížení vytvářená hmotností lyžaře přenášena vodním filmem a část dílčím kontaktem povrchů v oblasti asperit. Skutečná kontaktní plocha mezi skluznicí a sněhem není zdaleka tak velká jako v hydrodynamickém režimu, ani zdaleka tak malá jako v režimu hraničním. Skutečná kontaktní plocha se v odborné literatuře odhaduje na cca 50% plochy tzv. kontaktních oken.

 

Hlavní zdroje tření

• valivé tření
• kinematické tření
• elastické tření
• smykové síly uvnitř vodního filmu

S ohledem na velmi nízké hodnoty koeficientu tření v tzv. smíšeném režimu tření, zvláště pak v tzv. optimálním smíšeném režimu tření se v nejnovějších výzkumech předpokládá mezi povrchem skluznice a povrchem sněhu tzv. valivé tření na straně jedné a minimální smykové síly uvnitř vodního filmu na straně druhé.

Předpokládá se, že za podmínek smíšeného režimu působí v místech kontaktu mezi skluznicí lyže a sněhové pokrývky relativně malý tlak a sněhová pokrývka je za sněhových podmínek, ve kterých se primárně vyskytuje smíšený režim tření, tvořena na molekulární úrovni různě velkými a tvrdými „kulovitými“ částicemi. Obě okolnosti – relativně malý tlak a kulovité částice na molekulární úrovni – pak umožňují valivé tření, které je výrazně nižší než běžné kinetické tření.

Smykové síly uvnitř vodního filmu jsou rovněž relativně malé, jelikož vodní film přenáší pouze část zatížení. Smykové síly uvnitř vodního filmu jsou navíc „přerušovány“ přímými kontaktními místy, jejichž plocha však může být ve srovnání s hraničním režimem větší, a proto zde působí nižší tlak.

Přítomnost vodního filmu a valivého kontaktu navíc prakticky vylučuje vznik elektrostatického náboje. Díky vodnímu filmu a valivému tření prakticky nehrozí, že by mohlo doházet k rozsáhlejším trvalým deformacím na straně sněhové pokrývky. Oděr kluzného vosku a základního materiálu skluznice je rovněž malý.

Všechny výše popsané okolnosti způsobují, že právě za smíšeného režimu tření je možné docílit optimálních kluzných podmínek a minimálních hodnot koeficientu tření.

Veličiny ovlivňující velikost hlavních třecích sil ve smíšeném režimu tření

• hydrofobie
• kontaktní plocha
• drsnost
• hydrodynamický tlak a proudění uvnitř kapaliny
• tvrdost povrchů

Hraniční režim tření

Obrázek č. 3: schématické znázornění hraničního režimu tření, kde se oba pevné povrchy přímo dotýkají v oblasti asperit, zdroj: N.H. Haaland, Nano Ski Wax, Effects and Benefits, Master Thesis, 2013

 

Teoretický rámec

 

Hraniční princip tření je charakterizován běžnými prostředky neměřitelným vodním filmem. Absence vodního filmu způsobuje, že nerovnosti či asperity na povrchu skluznice a nerovnosti či asperity na povrchu sněhové pokrývky jsou v přímém kontaktu. Celá hmotnost lyžaře je nesena tzv. kontaktními body v místech, kde se asperity obou povrchů dotýkají. Skutečná kontaktní plocha mezi skluznicí a sněhem je tedy součtem plochy těchto kontaktních bodů a představuje pouze zlomek celkové plochy skluznice lyže. V odborné literatuře se uvádí hodnoty v rozpětí 0,4 až 4% skutečné plochy skluznice.

 

Hlavní zdroje tření

• kontaktní síly
• adhezivní a kohezivní síly
• třecí síly
• statické tření
• kinematické tření
• viskózní tření
• elastické tření

Nejprve je nutné překonat kontaktní síly vyplývající z přímého kontaktu obou povrchů. Čím menší je kontaktní plocha a čím těžší je lyžař, tím větší tlak bude působit v kontaktních místech a tím větší budou kontaktní síly. Kontaktní síly definují tzv. statické tření. Jakmile je statické tření překonáno, lyže se dá do pohybu a začne klouzat po povrchu sněhové pokrývky, začne působit kinematické tření, které je zpravidla výrazně nižší než tření statické. Velikost kinematického tření je opět definována především kontaktní plochou, tlakem, který v místech kontaktu působí, a rychlostí, jakou se lyžař pohybuje. S ohledem na charakter sněhové pokrývky začne být kinematické tření takřka neprodleně doprovázeno třením viskózním a elastickým. Sněhová pokrývka se v důsledku tření začne totiž velmi rychle deformovat. 

V hraničním režimu tření rozlišujeme mezi tzv. permanentní či trvalou a elastickou či dočasnou deformací sněhu. K deformaci sněhu dochází v případě, že tvrdost a pevnost skluznice je vyšší než tvrdost a soudržnost sněhové pokrývky. 

Trvalá deformace sněhu je buď tepelná nebo mechanická. Při tepelné deformaci dochází k tání asperit na povrchu sněhu v důsledku třecího tepla generovaného tření. Roztavené asperity přispívají k produkci vodního filmu v kontaktních místech mezi sněhem a skluznicí. Při mechanické deformaci dochází buď k ustřihnutí nebo odlomení asperit sněhových zrn či krystalů nebo k vylomení celých zrn nebo krystalů ze sněhové mřížky. Elastická deformace sněhu se odehrává v povrchové mikro-vrstvě sněhu. Elastické deformaci vděčíme za relativně dobré kluzné podmínky i v rámci hraničního režimu tření. Bez elastické deformace by byla jízda na lyžích mnohem náročnější.

Překročí-li však tvrdost sněhu tvrdost skluznice, začnou se asperity na povrchu sněhu zařezávat do povrchu skluznice. V této situaci začne sníh „pluhovat“ skluznici, oděr vosku i skluznice je enormní. Za těchto podmínek je pohyb na lyžích enormně náročný.

Veličiny ovlivňující velikost hlavních třecích sil v hraničním režimu

·      tvrdost povrchů

·      kontaktní plocha

·      drsnost povrchů

·      tlak v kontaktních místech

·      třecí teplo generované v kontaktních místech

·      trvalé a elastické deformace povrchů

·      statická elektřina

Přijde Vám to složité? Nebojte, není to tak hrozné… Mezi základními principy tření a strukturami existují relativně jednoduché a srozumitelné provazby! Žádná magie to není!

 

 

 

Jak rychle a snadno zlepšit skluz běžeckých lyží?

Znáte to... Chcete vyrazit s přáteli nebo s dětmi na běžky a co čert nechtěl, skluznice Vašich nových skateových lyží je úplně šedivá, což značí jediné: lyže nepojedou a možná budou dokonce namrzat...

Ano, je to tak! A pozor nemluvíme zde o namrzání v oblasti stoupací či mazací komory - např. z důvodu starých neodstraněných stoupacích vosků, nýbrž o namrzání v oblasti kluzných zón (což je u lyží na volný styl neboli skate lyží celá délka skluznice).

Ano, je to tak, i kluzné části běžeckých lyží mohou celkem slušně namrzat. A šedivá skluznice je prvním jasným příznakem namrzání skluznice v oblasti kluzných zón, které se projeví jak? Ano, extrémně špatným skluzem. Jinými slovy: lyže budou parádně drhnout, místo aby parádně klouzaly...

Šedivá skluznice totiž znamená, že skluznice je vysušená a zoxidovaná. Jak se něco takového stane? Jak víme z předchozích příspěvků, skluznice lyže klouže ve většině případů po slabším či silnějším vodním filmu, který se vytváří mezi skluznicí a povrchem lyže. Z předchozích příspěvků dále víme, že skluznice lyže je porézní. K vysoušení skluznice a jejímu následnému zoxidování dochází tak, že voda z vodního filmu mezi skluznicí a povrchem sněhu proniká do porézních částí skluznice, které opakovaně "vymývá" a vysušuje. Vysušený povrch má následně tendenci oxidovat, což se projevuje "šednutím" povrchu skluznice.

Šedivá = vysušená a zoxidovaná skluznice má velkou tendenci namrzat. Extrémní tendenci k namrzání vidíme např. u nového vlhkého či suchého sněhu při teplotách vzduchu 0 až - 3 stupňů C). Namrzání v kluzných zónách se projevuje tím, že sníh se lepí na skluznici (počáteční stádium) nebo že se na povrchu skluznice vytvářejí tenké vrstvičky ledu (pokročilé stádium).

Namrzající kluzné části skluznice skoro nejedou a dokážou zkazit i jinak parádní výlet s přáteli nebo dětmi. Ale znáte to, vybavení na aplikaci kluzných vosků jste nechali v Praze, za 20 min. se má vyrážet do stopy a děti už jsou oblečené a začínají si stěžovat, že jim je ve vytopené světnici na chalupě horko... Nejbližší skiservis je až na stadionu v Bedřichově...

V těchto situacích se nabízejí hned dvě možnosti: varianta A: tekuté kluzné vosky, varianta B: na sucho aplikovaný kluzný vosk.

Varianta A: tekuté kluzné vosky

Tekuté kluzné vosky jsou dobrá pomoc v nouzi. Pro vysušenou skluznici to není sice nic dobrého, ale dojezdové kolo v autě, také nemá ty nejlepší jízdní vlastnosti, že... Tekuté kluzné vosky jsou kluzné vosky rozpuštěné ve vhodném rozpouštědle. Díky tekuté konzistenci a aplikační houbičce se vsáknou či vpijí do porézních částí skluznice. rozpouštědlo se po krátké době odpaří a kluzný vosk "zaschne" v porézních částech skluznice a na jejím povrchu. Aby tekutý kluzný vosk "nedřel", je nutné přebytečný kluzný vosk, který zůstal na povrchu skluznice, a nikoli uvnitř porézní části skluznice buď setřít (nejlépe ještě v tekutém stavu), nebo rozleštit (v zaschlém stavu). 

K setření či rozetření tekutého vosku na povrchu skluznice se používá "filcová" houbička na druhé straně obalu tekutého vosku. Doporučujeme nezaschlý tekutý vosk stírat ve směru jízdy, tedy od špičky k patce. Snažte se nanášet co nejmenší množství tekutého kluzného vosku, aby vrstva vosku, která zaschne na povrchu skluznice byla co nejmenší, jelikož tento vosk bude do okamžiku, než se ojede, spíše lehce drhnout... Ale pořád lepší než namrzání!

K rozleštění tekutého kluzného vosku, který zaschl na povrchu skluznice, je dobré použít nesavou pevnou látku. Optimální jsou speciální "utěrky" na lyže. Při rozlešťování nejprve cukavým pohybem rozetřeme kluzný vosk zaschlý na povrchu skluznice a následně jej rozlešťujeme do hladkého a lesklého povrchu. Nejde to úplně snadno, především prvotní fáze, kde musíme lehce lepkavý vosk rozetřít a rozleštit. Ale tato námaha se určitě vyplatí. Lyže parádně pojedou... 

Pro verzi A tedy potřebujeme dvě speciální věci: tekutý kluzný vosk a speciální utěrku na lyže. Doporučuji vozit někde v autě, podobně jako lékárničku. Nestojí tolik a může hodně pomoct!

Varianta B: na sucho aplikovaný kluzný vosk

Tohle je úplná nouzovka, která je ale extrémně funkční. Stačí vám jakýkoli kousek kluzného vosku, který se vždycky někde najde. Kluzný vosk na sucho vetřeme do skluznice, pozor netlačíme! Musíme totiž nanést co možná nejslabší vrstvu. Pokud jsou lyže extrémně vyschlé, pak je třeba celý postup několikrát zopakovat. Dále už postupujeme jako u zaschlého tekutého kluzného vosku. Především prvotní fáze, kde musíme lehce lepkavý vosk rozetřít a rozleštit, jde opravdu blbě. Ale výsledek je opravdu překvapivý... Lyže pojedou jak ďas, hlavně když skluz srovnáme s namrzající suchou skluznicí! Pro extrémně vyschlou skluznici postup zopakujeme. Nesnažíme se nanést silnou vrstvu vosku na sucho. Silnější vrstvu vosku nejsme totiž schopni rozleštit.

Pro verzi B tedy potřebujeme pouze kousek leštícího papíru. Místo kluzného vosku by šla v nejhorším případě použít i tvrdá svíčka!

Kdy zvolit jaké manuální strukturování? Část I.: Hrubé lineární manuální struktury.

Hrubé lineární manuální strukturování

Hrubé lineární manuální strukturování není vhodné pro volný styl, a to především z důvodu pohybu lyže směrem do stran.

Hrubé lineární strukturování má nejenom větší osovou vzdálenost mezi jednotlivými vrcholy drážek (např. 1 mm), ale je - ve srovnání s jemným lineárním strukturováním - také hlubší. Široké a hluboké drážky, které u mokrého a vodou nasyceného sněhu zlepšují skluz lyže tím, že snižují tzv. sací efekt, který zpravidla představuje hlavní zdroj tření na mokrých a vodou nasycených druzích sněhu, zhoršují skluz při pohybu lyže směrem do stran.

Hrubé a hluboké lineární strukturování je tedy primárně vhodné pro klasický styl, velmi vlhký, mokrý, velmi mokrý až vodou nasycený ne příliš znečištěný hrubozrnný sníh, kde široké a hluboké drážky, přerušují kapilární síly vodního filmu a kde jednotlivá sněhová zrna jsou natolik velká a oblá, že nemohou zanášet či ucpávat široké a hluboké drážky. 

Mokrý až vodou nasycený sníh s velkými a oblými sněhovými zrny je standardní situace (klasické jarní sněhy na konci sezóny). Objevují se ale také situace, kdy je sníh velmi mokrý, obsahuje velký podíl volné vody, ale sněhová zrna jsou buď stále ještě malá, ale již celkem oblá, nebo jsou stále ještě malá, a k tomu ještě docela ostrá (nový či jemnozrnný sníh za deště nebo po náhlé velké oblevě). V těchto situacích může hrubé hluboké strukturování skluz naopak zhoršovat, a to zvláště v situacích, kdy je osová vzdálenost mezi vrcholy drážek větší než velikost jednotlivých sněhových zrn. A jsou-li tato malá sněhová zrna ještě navíc ostrá, pak je na průšvih zaděláno. Malá ostrá zrna ucpou široké drážky, zvětší se kontaktní plocha, zmizí předěly přerušující kapilární síly vodního filmu a lyže se bude přímo "přicucávat" ke sněhu s vysokým podílem volné vody. V těchto situacích je - přes obecné poučky výrobců - nutné zvolit jemnější drážkování, a to tak jemné, aby osová vzdálenost mezi vrcholy drážek byla vždy menší než průměrná velikost sněhových zrn. Jemné drážky budou přerušovat kapilární síly vodního filmu a sněhová zrna nebudou moci pronikat a usazovat se v jemné struktuře.

Samostatnou pozornost je nezbytné věnovat znečištění. U sněhu jsou okolnosti zpravidla velmi komplexní. Mokrý, velmi mokrý až vodou nasycený hrubozrnný sníh s velkými oblými sněhovými zrny a velkým podílem volné vody, kdy jednotlivá sněhová zrna plavou v jakémsi vodním "láku", se typicky objevuje na konci lyžařské sezóny (tzv. jarňáky). Tato skupina sněhových druhů však bývá - zcela přirozeně - také velmi znečištěná. A právě v tom je zakopaný pes... Nečistoty totiž mohou zanést či ucpat drážky a efekt je podobný, jako u mokrého jemnozrnné sněhu, skluznice lyže se "přicucává" k vodnímu filmu. V této situaci je však každá rada drahá. Jemné drážky by se ucpaly ještě rychleji, bez drážek se bude skluznice k vodnímu filmu "přicucávat" hned od startu... Jediná možnost je tedy co možná nejvíce oddálit ucpání drážek nečistotami a zde nám mohou pomoci vysoce hydrofobní a nečistoty odpuzující kluzné vosky.

U jemnozrnného mokrého až vodou nasyceného sněhu zpravidla zásadní problém s nečistotami nebývá, jelikož se tyto druhy sněhu vyskytují v situacích, kdy sníh ještě přirozeně znečištěný nebývá (nový či jemnozrnný sníh za deště, prudká silná obleva krátce po napadnutí čerstvého sněhu).