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 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???