ISANTIN, část I - zcela nový princip skluzu

 

 

Úvodní fotografie 

 

Vosky používané pro zlepšení skluzných vlastností běžeckých a sjezdových lyží mají vedle celé řady výhod také zásadní až fatální nevýhody, které jsou navíc zakotveny v samém základu či podstatě vosků jako chemické a fyzikální látky. Existuje ale již také něco úplně jiného!

 

Začněme příběhem, jak se ten tajemný vynález (ne)dostal na svět, protože onen příběh je přinejmenším stejně zajímavý jako přípravek sám.

Švýcarské městečko Altstaetten někdy kolem roku 2016. Dr. Peter Buetzer, chemik, molekulární biolog, docent pro oblast řízení rizik a bezpečnostní ekonomiku, ale také nadšený lyžař a veliký odborník na problematiku skluzu lyží nabízí přednímu švýcarskému výrobci lyžařských vosků a servisních přípravků se sídlem v Altstaettenu svoji převratnou novinku.

Bohužel, nebo vlastně bohudík neúspěšně. Technologický gigant si nenechal radit od nějakého nadšence a podivína, jak vyvíjet a vyrábět lyžařské vosky… Ale kdo tady mluví o voscích, že?

Díky odmítnutí, kterého technologický gigant hořce litoval již o několik málo let později, se začíná psát historie společnosti Isantin a s ní – a to je důležité – éra zcela nových kluzných přípravků, na hony vzdálených tomu, co známe z běžné servisní praxe běžeckých a sjezdových lyží, které dominují již více než padesát let přípravky obecně známé jako vosky.

Dr. Buetzer si díky své dlouholeté lyžařské praxi všiml, že vosky používané pro zlepšení skluzných vlastností běžeckých a sjezdových lyží mají vedle celé řady výhod, také zásadní až fatální nevýhody, které jsou navíc zakotveny v samém základu či podstatě vosků jako chemické a fyzikální látky.

Z tohoto uvědomění či zjištění pak Dr. Buetzer vyvodil závěr, že vosky jako kategorii či druh prostředků pro zlepšování skluzných vlastností sjezdových a běžeckých lyží lze zlepšovat, optimalizovat, upravovat nejrůznějšími aditivy, nanočásticemi, recepturami, technologickými procesy, ale bude to v podstatě pořád ten starý vosk…

Jednou s přísadou fluoru, pro lepší hydrofobii a enormní elektronegativitu, jindy s přísadou molybdenu, pro lepší špíno-odpudivost, opět jindy s větším podílem dlouhých řetězců pro vyšší tvrdost, pak zase s nanočásticemi pro změnu kontaktních ploch… A tak dále a pořád dokola. Vosk, jen tisíckrát jinak.

Panu Buetzerovi došlo, že pokud se bude chtít zbavit nevýhod, které vosk, má, a že jich není zrovna málo (čtěte článek Slabé stránky skluzných vosků), nemá smysl voskům dávat nový kabát nebo střeva, ale je nutné, ba přímo nezbytné se zbavit vosku samotného…

Jako vzdělaný člověk se nechal poučit z chyb předešlých generací a sestavil si základní přehled předností, ale především nevýhod skluzných vosků, které se „inovátoři vosků“ snažili překrýt novým nátěrem, nebo vytěsnit nový obsahem, bohužel ale na stejném starém „kopytu“.

 

Co tedy jsou ty hlavní nevýhody vosků?

·       Skluzné vosky jsou měkké – i nejtvrdší skluzné vosky dosahují přibližně poloviny tvrdosti skluznice.

·       Skluzné vosky drží špatně na skluznici – když na sjezdovkách vydrží vosk za mírně abrazivních podmínek jeden den na sjezdovce, je to skoro zázrak.

·       Skluzné vosky jsou izolant – nevedou ani elektrický proud ani teplo, čímž zhoršují elektrostatický náboj za studených skřípajících podmínek.

·       Skluzné vosky vážou výborně nečistoty – za teplých, mokrých podmínek, kdy je sníh plný vody a špíny je to špíno-lapka (někdo ty stopy vyčistit musí, že?)

Neorganizovaný, slabě provázaný cluster molekul skluzných vosků

Organizovaný, pevně provázaný cluster molekul e-indigo, které jsou základem jednoho z přípravků ISANTIN

A co jsou tedy ty zásadní výhody vosků, pro něž se „voskoví inovátoři“ snaží již více než padesát let toto staré kopyto stále a znovu oživovat?

·       Skluzných vosků existuje nepřeberné množství, na každou teplotu, každou vlhkost, každý druh sněhu, na každý podíl volné vody atd. existuje vždy minimálně jeden specifický vosk.

·       Skluzné vosky velmi dobře fungují za mokrých a měkkých podmínek, kde se může uplatnit jejich hydrofobie, zvláště skluzné vosky s krátkými řetězci mají velmi dobré hydrofobní vlastnosti již v základu, bez doplnění dalších přísad.

·       Skluzné vosky se celkem dobře snáší s dalšími aditivy jako nosič, což je základ pro jejich enormní variabilitu

Ačkoli je vidět, že vosky mají určité dobré uplatnění, je pravděpodobně na čase je doplnit o alternativy, které budou schopny vykompenzovat primárně jejich nevýhody. Ale čím ho nahradit / doplnit? Přesně tuto otázku si položil Dr. Buetzer.

Něčím, co tvrdost skluznice nesníží, ale naopak zvýší. Něčím, co se na skluznici – v našem případě ve většině případů vyráběné z UHMWPE nebo alespoň z HDPE – váže tak dobře, aby tam vydrželo alespoň několik dní v případě sjezdovek (sjezdařské pobyty na horách bývají min. 4 až 5 dní), nebo alespoň několik týdnů v případě běžek (řekněme aspoň nějakých 150 km), něčím, co je alespoň polovodič, když nikoli přímo vodič, aby nebylo nutné do skluznice cpát tolik grafitu, který tam jednak špatně drží, a jednak je velmi problematický z hlediska tvrdosti a abraze, něčím, co je přirozeně špíno-odpudivé díky negativnímu náboji…

Povrch skluznice před (A) a po (B) aplikaci přípravku ISANTIN, NANO-chloupky byly zcela překryty novou skluznou vrstvou, pevně a zároveň pružně navázanou k nejsvrchnější vrstvě skluznice.

Špíno-odpudivost jde zpravidla ruku v ruce s hydrofobií, takže přípravek, který je špíno-odpudivý, má vždy i základní míru hydrofobie. Navíc se ukazuje, že tzv. statický kontaktní úhel příliš nevypovídá o dynamických vlastnostech skluzných prostředků. A tzv. superhydrofobní povrchy nemají problém ani s úhlem 150 stupňů, což je daleko, ale opravdu daleko více než to, co uměly – v tomto hledisku jedinečné – fluory.

Pokud se tedy něco takového najde, tak je celkem jedno, že se to něco bude hůře či špatně míchat či snášet s něčím dalším (třeba fluorem, molybdenem, oxidy zinku, grafitem, grafémem, silikony, siloxany, bornitridem, disulfidem wolframu nebo jakoukoli jinou pro životní prostředí zpravidla problematickou látkou).

A právě toto NĚCO Dr. Buetzer na přelomu let 2016/17 objevil a nabídl švýcarskému technologickému gigantu, kterému však i odpověď byla za těžko.

A tak Dr. Buetzer tento nový přípravek začal společně se svým synem Ing. Marcelem Buetzerem rozvíjet a ladit, aby světlo světa spatřil Isantin, zcela nový přípravek pro skluz běžeckých i sjezdových lyží a snowboardů, který je vedle svých technických a technologických vlastností, o kterých si povíme více příště, ekologický a pro vše živé i neživé na naší modré a zelené planetě zcela bezpečný.

Vrstva E-indigo na skluznici skate lyže, v lupě je 200-násobné zvětšení 

 

A co to tedy ten zázrak s názvem Isantin vlastně je?

Představte si hustý smrkový les. Jednotlivé stromy jsou nano-chloupky v délce cca 100 až 250 nm v nejsvrchnější vrstvičce skluznice. Na vrcholky těchto stromů alias nano-chloupků se nejprve nachytají či naváží miliony nano-částeček. Nano-částice se na chloupky naváží podobně jako pevně jako jmelí. Na rozdíl od jmelí se ale nano-částečky při následném „zapracovávání“ pomocí fliesu, tlaku a tepla začnou mezi sebou propojovat a provazovat pomocí chemických principů sebeorganizace do jakýchsi destiček či šupinek, které pružně a pevně navázány na nano-chloupky skluznice, začnou překrývat celý povrch skluznice jako šupiny na kapřím těle. Jakmile nano-částice pomocí chemických principů sebeorganizace narostou do šupinek a překryjí celý povrch skluznice, je nutné ještě rozleštit jednotlivé přechody mezi šupinkami do jednolité lesklé tvrdé vrstvy, pevně navázané na molekulární bázi povrchu skluznice, vrstvy, která je vodivá, špíno-odpudivá a resistentní vůči oxidaci.

Zkrátka a dobře, Isantin je podle všeho dosavadního poznání malý krok pro člověka, ale velký pro lidstvo. Minimálně to lyžující!

Autor článku se poprvé potkal s Dr. Buetzerem přibližně před 4 lety. Nejprve vůbec nechápal ani souvislosti, ani princip, jakým Isantin funguje. Po desítkách e-mailů, hodinách studia a bezpočtu telefonátů, jako člověk celkem slušně obeznámený s teoretickými principy skluzu i praktickými zkušenostmi ze servisní praxe, pochopil, ze Isantin je přízrak, který boří vše, s čím se v servisní praxi doposud setkal. Proto se - po víceletém kontaktu s Dr. Buetzerem, které přerostlo v osobní přátelství - rozhodl značku Isantin v ČR i dalších evropských zemích zastupovat.

 

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!