Druhá zásadní teorie objasňující podmínky tření v tzv. hraničním režimu staví do středu zájmu oděr a tvrdost, sníh a led.
Provádět laboratorní i polní zkoušky na sněhu je s ohledem na jeho specifické vlastnosti, jako jsou extrémní proměnlivost, enormní tvarová a strukturní pestrost, velmi problematické. Proto se také velká část – zvláště laboratorních – výzkumů provádí na vzorcích ledu, a nikoli sněhu. Výsledky získané na ledu se následně aplikují na sníh.
Zdá se, že teorie třecího tepla vyvinutá v oblasti skluzu na ledu (zvláště v oblasti bruslení, závodního sáňkování či bobování) platí pro kontakt ledu s kovovou čepelí, v oblasti skluzu plastové lyže na sněhu však zásadně pokulhává.
I přesto, že sníh se skládá z drobných ledových zrnek či krystalů vzájemně provázaných a propojených, má sníh natolik specifické vlastnosti, že výsledky výzkumu prováděné na ledu se ukazují být pro sníh nepoužitelné.
Alespoň teorie abraze sněhových krystalů na tyto skutečnosti odkazuje. Teorie abraze sněhových krystalů postuluje, že při teplotách hluboko pod bodem mrazu se zvyšuje tvrdost, ale také křehkost jednotlivých sněhových krystalů či zrn. Jak víme z teorie třecího tepla, dochází v režimu tzv. hraničního tření k přímému kontaktu asperit na povrchu skluznice a sněhové pokrývky. V místě kontaktních bodů působí velký tlak a velké tření. Dle teorie abraze však nedochází k natavování mikroskopických kontaktních míst a k produkci vodního filmu, jak pro kontakt ledu s kovovou čepelí postuluje teorie třecího tepla, nýbrž k odlamování drobných částí křehkých sněhových krystalů či zrn, nebo k vylamování celých zrn ze sněhové mřížky.
Obrázek č. 1, snímky a) až d) ukazují postupné zvětšování kontaktních bodů a jejich spojování do větších ploch při skluzu UHMWPE na suchém jemnozrnném sněhu, snímek e) ukazuje výslednou kontaktní plochu: červeně orámována jsou zvětšená a abrazí zploštělá sněhová zrna, červené šipky označují odlomené části sněhových zrn, které se zcela integrovaly do porézních oblastí sněhové pokrývky, modré šipky pak ukazují částečně integrované odlomené části sněhových zrn, kde ještě neproběhl proces sintrace, hvězdička označuje vývoj konkrétního zrna v průběhu testu, zdroj: J. H. Lever et. col., Evidence that abrasion can govern snow kinetic friction, Journal of Glaciology, 2018
Pokud dochází k odlamování drobných částí sněhových krystalů vlivem tlaku a tření, vyplňují tyto odlomené části sněhových krystalů porézní oblasti sněhové pokrývky. Odlomené části sněhových krystalů, které vyplnily porézní oblasti sněhové pokrývky, jsou extrémně rychle integrovány bleskurychlými sitračními procesy, a to v řádu zlomků vteřin. Jakmile jsou integrovány do sněhové pokrývky, dochází k jejich uhlazování dále probíhajícím skluzem a třením.
Pokud dochází k vylamování celých zrn ze sněhové mřížky, umožňují vylomená sněhová zrnka valivé tření mezi oběma povrchy, a to do okamžiku, než dojde k jejich zatlačení do porézního povrchu sněhové pokrývky. Jakmile jsou vylomená sněhová zrna zatlačena do porézního povrchu, následují již proces odlamování.
Je přirozené, že oba procesy – jak proces odlamování drobných částí ze sněhových zrn, ukládání odlomených částí do porézních oblastí sněhové pokrývky, rychlá integrace a následné uhlazování, tak proces vylamování celých zrn, valivého tření s následným zamáčknutím do porézní oblasti sněhové pokrývky – probíhají paralelně. Předpokládá se, že čím nižší jsou teploty pod bodem mrazu a čím sušší, a tedy tvrdší a křehčí sníh je, tím více narůstá podíl vylamování celých krystalů či zrn.
Pokud dochází k vylamování jemnějších či hrubších zrn, které jsou již méně či více zaoblená, dochází bezprostředně k valivému tření. Pokud však dochází k vylamování málo transformovaných zrn až krystalů, pak je jízda na lyžích extrémně náročná. Každý z nás si jistě vybaví skřípající prašen hluboko pod nulou… I jízda na písku by byla pohodlnější
A tady jsme se propracovali k druhému fenoménu, který určuje skluzné vlastnosti za podmínek tzv. hraničního režimu tření, a tím je tvrdost.
Tvrdost skluznice je konstantní. U závodních lyží bývá kolem 65 shore D. Tvrdost sněhu je ale proměnlivá. Tvrdost sněhu je přímo závislá na vlhkosti. Čím vyšší vlhkost, tím měkčí sníh, a naopak, čím nižší vlhkost sněhu, tím tvrdší sníh. Vlhkost sněhu pak závisí na teplotě a vlhkosti vzduchu. Čím vyšší teplota a/nebo vlhkost vzduchu, tím měkčí sníh, a naopak, čím nižší teplota vzduchu a/nebo vlhkost vzduchu, tím tvrdší a křehčí sníh.
Je-li sníh dostatečně suchý, tedy jsou-li teploty dostatečně nízké, vzroste tvrdost jednotlivých sněhových zrn a krystalů nad tvrdost skluznice. V tento okamžik se sněhové krystaly začnou zarývat do skluznice. Proces „pluhování“ skluznice sněhem probíhá – naštěstí – souběžně s procesem elastické deformace vrchní části sněhové pokrývky, pokud by tomu tak nebylo, lyže by prakticky nemohla klouzat.
Co z toho vyplývá? Vedle strukturování ovlivňuje kvalitu skluzu za podmínek tzv. hraničního režimu tření především tvrdost skluznice. Ano, je to tak: čím tvrdší skluznice, tím dále se posune hranice, kdy sněhové krystaly začnou „pluhovat“ skluznici, což je jev, který je doprovázen enormním nárůstem tření.
Obrázek č. 2: i přesto, že tento graf je už hodně „vousatý“ a UHMWPE bude vykazovat výrazně lepší vlastnosti než prostý polyethylen (PE), ukazuje smutnou pravdu, jakýkoli skluzný vosk tvrdost skluznice vždy pouze sníží, a tvrdost ledu narůstá s úbytkem vlhkosti relativně příkře, sníh – díky oblasti elastické deformace – bude sledovat méně příkrou křivku, nicméně a UHMWPE bude o něco tvrdší než PE, ale i tak bude tvrdost sněhových zrn v určitém okamžiku vyšší než tvrdost skluznice, což se projeví jejím „pluhováním“ a enormním nárůstem tření, zdroj: S.C. Colbeck, Friction of Snow Skis, 1991
A zda jsme narazili na jeden z hlavních problémů aplikace kluzných vosků pro tzv. hraniční režim tření. Na světě prakticky neexistuje skluzný vosk, po jehož aplikaci by nedošlo ke snížení základní tvrdosti skluznice. Ano, je to tak! Vůbec nejtvrdší HF vosky dosahovaly tvrdosti cca 50 až 55 shore D, zatímco měkké vosky s krátkým molekulárním řetězcem mají tvrdost jen cca 10 až 15 shore D. Tedy jakoukoli aplikací kluzných vosků základní tvrdost skluznice vždy pouze snížíme.
Obrázek č. 3: křivky zobrazující změnu tvrdosti grafitové (GB = grafit base) a transparentní (TB = transparent base) skluznice po aplikaci tvrdého a měkkého vosku, jak je vidět, po aplikaci vosku dojde vždy pouze ke snížení tvrdosti základního materiálu, zdroj: L. Kuzmin, Hot Glide Wax Treatment and the Hardness of Ski Running Surface, Conference Article, 2008
Kolegu Kuzmina tedy napadlo, že bude lepší min. pro podmínky hraničního tření žádný skluzný vosk neaplikovat a nesnižovat tak tvrdost základního materiálu skluznice. Bohužel to příliš nefunguje, protože skluzný vosk skluznici nejenom adaptuje na aktuální sněhové podmínky za účelem zlepšení skluzu, nýbrž ji také chrání. Nechráněná skluznice bohužel nefunguje a zde také teorie kolegy Kuzmina naráží tak trochu do zdi!
Co s tím? O tom opět příště!