Teorie skluzu, část II. - teorie třecího tepla a hydrodynamický režim tření

 Teorie skluzu, část II., teorie třecího tepla a hydrodynamický režim tření

 

Asi nejrozporuplnější teorie skluzu… Teorie třecího tepla tvrdí, že tření mezi povrchem skluznice a povrchem sněhové pokrývky produkuje teplo, které má dostatečně velký energetický potenciál na to, aby docházelo k natavování sněhové pokrývky a produkci vodního filmu mezi povrchem skluznice a povrchem sněhu.

 

S teorií třecího tepla jsou následně „provazovány“ tři základní režimy tření:

 

·      Hydrodynamický režim tření

·      Smíšený režim tření

·      Hraniční režim tření 

Hydrodynamický režim tření 

V hydrodynamickém režimu tření má být povrch skluznice a povrch sněhové pokrývky zcela oddělen „silným“ vodním filmem. Produkce další „vody“ a tedy nárůst tloušťky vodního filmu v důsledku třecího tepla mezi povrchem skluznice a povrchem sněhové pokrývky jsou považovány za nežádoucí či negativní jev. Tvar křivky na obrázku č. 2 zobrazující závislost koeficientu tření na tloušťce vodního filmu naznačuje, že s narůstající tloušťkou vodního filmu narůstá rovněž koeficient tření, nicméně i při maximálních v grafu zohledněných tloušťkách vodního filmu je COF výrazně nižší než tam, kde se žádný vodní film nevyskytuje, tedy v hraničním režimu tření. V hydrodynamické režimu tření tedy teorie třecího tepla „vysvětluje“ nárůst tření, tedy vyšší COF, tedy horší skluzné vlastnosti tím, že tepelná energie vytvářená třením produkuje další vodu a tím zvyšuje tloušťku vodního filmu, narůstající tloušťka vodního filmu pak zvyšuje tření, tedy zpomaluje lyži, zhoršuje skluz. Tření = třecí teplo, třecí teplo = více vody, více vody = silnější vodní film, silnější vodní film = horší skluz.

 

Je tomu ale opravdu tak?

 

Trochu ano, ale více ne!

 

Na úvod je nutné říci, že nejnovější výzkumy a měření ukazují, že právě v hydrodynamickém režimu tření jsou koeficienty tření absolutně nejvyšší, jsou dokonce výrazně vyšší než v tzv. hraničním režimu tření, tedy na vodě lyže jednoduše nejedou, nebo jedou velmi špatně… Každý z nás si jistě vybaví zkušenost, když ve vysoké rychlosti vjel z tvrdé umrzlé stopy ve stínu do měkkého mokrého sněhu na osluněných partiích tracku či sjezdovky, jeden má v tu chvíli co dělat, aby to ustál bez pádu.

 

Dalším omylem je produkce vody způsobená třecím teplem. V hydrodynamickém režimu jsou oba povrchy opravdu velmi často zcela odděleny vodním filmem. Ačkoli je voda špatný lubrikant, neprodukuje skluz po vodním filmu a s ním spojené tření žádné závratné množství tepelné energie. Za vysoké hodnoty koeficientu tření odpovídají zjevně jiné efekty.

 

Zkrátka a dobře není výskyt vodního filmu mezi oběma povrchy, tedy povrchem sněhu a povrchem skluznice způsoben třecím teplem, nýbrž přirozeným táním sněhu a ledu při teplotách vzduchu nad nulou. Jak již víme z článku o metamorfózách sněhu, ustálí se teplota sněhu při teplotách vzduchu nad bodem mrazu na nule a na nule zůstává tak dlouho, dokud se nerozpustí poslední kousek ledu, pak začne teplota vody pozvolně stoupat.

 

Bez ohledu na druh sněhu začínají tát a přecházet z pevného do kapalného skupenství nejprve nejsubtilnější tvary sněhových krystalů nebo zrn. Vzniklá „volná“ voda nejprve vyplňuje vzduchem vyplněné prostory mezi pevnými částicemi. Čím hustší sníh, tím méně vzduchových kavit uvnitř sněhové pokrývky a tím rychleji začne proces tání vytvářet vodní film přímo na povrchu sněhu, tedy stopy.

 

Např. u starého hrubozrnného sněhu tvořeného zpravidla velkými zakulacenými sněhovými zrny navzájem provázanými tzv. můstky či krčky, začínají při teplotách vzduchu nad nulou roztávat nejprve můstky a krčky a následně povrch ledových zrnek. Prostor mezi jednotlivými zrnky začne být vyplňován vodou a postupujícím procesem tání začnou jednotlivá zrna jaksi „plavat“ ve vodním „láku“. Zde již zpravidla mluvíme o velmi mokrém či zvodnělém sněhu, plném volné vody a zpravidla také nečistot.

 

Vodní film mezi skluznicí lyže a povrchem sněhu se buď na povrchu stopy přímo nachází, nebo je voda při skluzu lyže vytlačována k povrchu a následně skluznicí roztahována do délky a do šířky.

 

Co ale způsobuje ony vysoké hodnoty koeficientu tření právě za mokrých podmínek s výskytem vodního filmu?

 

Víme, že hodnoty koeficientu tření jsou za mokra, tedy za přítomnosti vodního filmu zdaleka nejvyšší, a to napříč všemi podmínkami, na kterých se lyžuje. Na vodě to prostě nejede!

 

Nabízí se velmi jednoduchá odpověď: voda je špatný lubrikant a neklouže / nejede. Tato odpověď si bohužel protiřečí s vysvětlením, proč jsou koeficienty tření v tzv. smíšeném režimu, tedy za situace, kde se skluz odehrává dílem na vodě a dílem na pevných částech sněhové pokrývky, extrémně nízké.

 

Pokud by za vysoké koeficienty v hydrodynamickém režimu zodpovídaly pouze a jenom špatné lubrikační vlastnosti vody, pak by se tyto špatné lubrikační vlastnosti musely zákonitě projevit i ve smíšeném režimu.

 

Další možná odpověď jsou sací síly, kapilární krčky a smykové síly uvnitř vodního filmu. Vodní film se má tendenci přisávat k hladkému povrchu skluznice, při následném oddálení povrchu skluznice se mají vytvářet kapilární krčky mezi oběma povrchy, které brzdí, než prasknou. Vedle toho mají uvnitř kapaliny, na jejímž povrchu se odehrává skluz pevného tělesa, tedy lyže, působit smykové či střižné síly, které opět brzdí.

 

Dlouho se myslelo, že právě hrubé a hluboké vzory struktur určené pro mokré až velmi mokré podmínky zodpovídají za to, že tyto sací, kapilární a smykové síly zvyšující tření, a tedy zhoršující skluzné vlastnosti lyží za mokrých podmínek, mohou být omezovány právě a díky hrubým a hlukovým strukturám. Hluboké a široké drážky měly zabraňovat tvorbě velkoplošných kapilárních krčků. 

 

Aktuální četné výzkumy a testy však ukazují, že pozitivní efekt tzv. hrubých struktur za mokrých podmínek není zdaleka tak přímočarý, jak bylo po mnoho let tradováno, což zároveň oslabuje význam sacích sil a kapilárních krčků pro vysoké hodnoty COF za mokrých podmínek.

 

Jinou odpověď na otázku, proč lyže za mokra nejedou, lze hledat v kontaktní ploše. Za mokrých podmínek se skutečná plocha skluznice, u běžeckých lyží např. 4,5 x 180 cm = 810 cm2, u sjezdových lyží např. 10 x 180 cm = 1800 cm2, rovná více či méně kontaktní ploše. Kontaktní plocha je tedy v důsledku přítomnosti vodního filmu maximálně možná, či extrémní. Pro srovnání si uveďme velikost skutečné kontaktní plochy mezi skluznicí a sněhem za podmínek tzv. hraničního režimu tření, která odpovídá přibližně 1% celkové plochy skluznice, u běžeckých lyží tedy cca 8 až 10 cm2, u sjezdových lyží pak cca 18 až 20 cm2.

 

Extrémní kontaktní plocha představuje extrémní potenciál pro interakce mezi oběma povrchy, a právě v extrémní ploše a v extrémním množství vzájemných interakcí je – dle našeho názoru – nutné hledat příčiny oněch extrémních hodnot COF za mokrých podmínek, tedy skutečnou odpověď na otázku, proč lyže za mokra nejdou!

 

O jaké interakce se jedná, jak působí a proč mají tak velký vliv na skluz lyží, proč právě vosky s fluorem zásadně zlepšovaly skluz za mokra? Tak to vše si povíme zase někdy příště 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 fungují struktury - teorie abraze

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.

 

 

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.

 

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.

 

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!

 

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???

 

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!