Ski-Pro.Ru
Клуб любителей горных лыж
ГлавнаяГлавная   ГлавнаяФорумы   ФотоальбомыФотоальбомы   Статьи - горные лыжи и сноубордСтатьи   Горнолыжный атлас мираАтлас   ПоискПоиск   ПользователиПользователи   РегистрацияРегистрация
  • Скольжение лыж. Обзор.

    Если лыжи плохо скользят, то катание не принесет большой радости, даже начинающим. Но для любителей достаточно просто парафинить лыжи, в сервисе или самому. Но спортсменам нужно оптимальное скольжение, подготовка лыж намного сложней: специальная обработка скользячки, нанесение структуры, горячая смазка, при сложных тепловых режимах.
    Факторы скольжения часто обсуждают на горнолыжных сайтах, есть также серьезные научные исследования по скольжению лыж, но никто не может объяснить механизм полностью. На диаграмме показаны зависимости коэффициентов трения от скорости, по данным разных ученых, для разных параметров лыж и снега:


    Мы видим: результаты противоречивы, и не сводятся в единую систему. В этом обзоре описаны общие положения, и состояние проблемы, на сегодняшний день, не претендуя на научное описание.

    Вспомним: утром на кантах лыж можно видеть свежую ржавчину, но при низкой температуре ржавчина стирается об снег, через 2-3 часа канты опять блестят. Отсюда видно, что снег имеет абразивные свойства, особенно сухой, трение между лыжей и снегом очень велико, лыжи не могли бы двигаться без смазки.
    Смазкой может быть вода или воздух:
    Если снег глубокий и мягкий, то в нем содержится много воздуха, давление лыж мало, лыжи скользят на "воздушной подушке". Подробней, про этот механизм можно прочесть тут.
    Если снег более плотный, то в нем мало воздуха, а давление велико, смазкой является тонкая пленка воды, это самый распространенный случай. Кроме обычной, жидкой воды, есть также тонкий квази-жидкий слой на кристаллах льда, но он слишком мал, и не может облегчать скольжение лыж, а при низкой температуре, ниже -6°, есть только следы квази-жидкости, они не могут влиять на скольжение, основной смазкой остается водяная пленка.

    Механизм образования пленки не объясним полностью, профессор С.Колбек, самый известный специалист по скольжению лыж, доказал, что при температурах ниже -20°, образуется слишком мало воды для получения сплошной пленки. Но было экспериментально доказано, что пленка реально существует, даже при -40°.
    Также было установлено, что при длинном повороте, в слаломе-гиганте, загруженный кант имеет температуру, на 1-2° выше, чем разгруженный, но для низкой температуры нагрев лыж слишком мал, чтобы растапливать снег. Измерялись также статические заряды: при большой скорости, на сухом снегу, разность потенциалов скользячки и снега доходит до 2-3 кВ, понижаясь при повышении температуры. Но в сильном электрическом поле температура плавления воды не уменьшается, а повышается, следовательно образуется еще меньше воды.

    Толщина пленки зависит от температуры, давления, материала поверхности, структуры снега, других параметров. Сегодня есть методы очень точных измерений, с помощью микро-датчиков, которые встраиваются в лыжу. Но эксперименты приводят к результатам, которые также расходятся с теорией.
    Для разных значений параметров снега и лыж, были экспериментально установлены значения коэффициента трения, затем была вычислена толщина водяной пленки, которая теоретически дает такие значения: рассчетная толщина должна была находится в интервале 0.1-1 мкм, к этим цифрам пришли независимо разные ученые. Но в экспериментах, измеренная толщина пленки намного меньше: только 0.005-0.1 мкм. Когда в лыжи были встроены очень точные лазерные датчики, то при температурах ниже -5°, толщина пленки на скользячке не была толще, чем 0.08 мкм, при любой скорости и давлении.

    Мы видим: в процессе образования водяной пленки есть много странного, но она реально существует, а смазочные свойства определяются подвижностью воды относительно скользящей поверхности. Если поверхность смачиваема, то вода растекается по ней, вместо смазки возникает эффект прилипания, вызванный капиллярными силами. Все знают это явление: если лыжи не смазаны, то при высокой температуре, на них образуется слой снега, очень крепко прилипшего, лыжи не могут двигаться вообще!
    Для хорошего скольжения поверхность лыжи должна быть гидрофобной: капиллярные силы уменьшаются, а вода стремиться свернуться в капли, под действием поверхностного натяжения. Пленка становится подвижной.


    Смачиваемость определяется по величине контактного угла, между поверхностью капли и средой. Значение 0° соответствует абсолютно гидрофильной среде, 180° абсолютно гидрофобной, на которой водяная пленка имеет максимальную подвижность.
    Современные материалы, на основе полиэтилена, которые используют для скользящей поверхности лыж, недостаточно гидрофобны, контактные углы составляют 80-90°, но смазка парафином, или другими похожими веществами, увеличивает их до 110-120°, и больше. Это явление всем известно, но также связано с неопределенностью.

    По проблеме лыжных мазей работает Леонид Кузьмин, бывший советский ученый, уехавший в Швецию.
    До эмиграции Л.Кузьмин был известным спортсменом, основное направление его исследований: скольжение беговых лыж, но многие результаты можно использовать также для горных. Он предложил более сложную модель смачиваемости, на основе капли воды на наклонной плоскости, имеющей разные углы, по переднему и заднему фронту:


    Л.Кузьмин провел множество экспериментов и пришел к выводам: лыжная мазь мало влияет на скольжение, более важна подготовка скользящей поверхности, с помощью специального инструмента, называемого "цикля Кузьмина". При обработке, скользящая поверхность не только шлифуется, но также уплотняется, при этом передний контактный угол увеличивается: почти до значений, аналогичных лыжным мазям. Но задний контактный угол увеличивается значительно больше, чем при использовании мази!
    Когда лыжник двигается по дистанции, то мазь стирается, а ее остатки впитывают из снега грязь, скольжение ухудшается. Но если мази нет, то скольжение сохраняется на начальном уровне, ведь полиэтилен не так легко стирается об снег.
    В интернете есть много исследований, по проверке гипотезы Кузьмина, но были получены противоречивые результаты! Российский ученый, Александр Бусарин, из Набережных челнов, доказал: метод Кузьмина работает на грязном снегу, лыжи скользят лучше без мази, после обработки циклей. Но на чистом снегу, гипотеза не подтверждается: лыжи без мази отстают от смазанных, но после 20 км мазь стирается, и лыжи, при подготовке методом Кузьмина, действительно, скользят немного лучше. Но это преимущество меньше, чем отставание в начале дистанции, в результате смазанные лыжи, в среднем по дистанции, скользят лучше. Также была найдена зависимость: если в регионе добывается нефть, то смазанные лыжи всегда скользят хуже, чем в регионах без нефти.
    Можно предположить: в нефте-добывающих регионах, в воздухе содержатся химические вещества, оседающие на снежинках, эти вещества взаимодействуют с мазями, ухудшая их свойства. Тогда, при большой концентрации этих веществ, метод Кузьмина, действительно, имеет преимущество: шлифовка циклей дает лучшее скольжение, чем смазка. Возможно, что расхождения, между результатами разных ученых, объясняются этим эффектом.
    Но также есть другие вещества, кроме нефти, влияющие на смачиваемость: для снежных пушек, в воду добавляют вещество "Snow-Max", получаемое из бактерий: разновидность белка, который может быть индуктором кристаллизации, увеличивает температуру кристаллизации до 1-1.5°, для экономии энергии на охлаждение. Но оно образует свою пленку на поверхности мази, опять увеличивая смачиваемость!

    Есть также проблема устойчивости мази: как быстро она стирается? Для увеличения устойчивости, лыжи спортсменов прогреваются в тепловых камерах, при точно подобранных режимах: при этом мазь проникает в пластик, и связи со скользячкой усиливается. Но Л.Кузьмин пришел к выводу, что парафин не может проникать в полиэтилен: молекулы парафина имеют большой размер при низкой активности, а вода, с более активными и мелкими молекулами, в полиэтилен не проникает. Но доктор Ян Харви, из Университета Юты, показал: вода может впитываться в полиэтилен, но также при специальных режимах температуры и давления. Также он теоретически вывел режимы, для взаимодействия различных типов пластмассы с парафином и другими компонентами лыжной мази.

    Но опять, вернемся к водяной пленке, которая является главной смазкой, даже без использования лыжных мазей. При изучении смазок используется закон Штрибека, описывающий трение для деталей машин:


    На графике видно: механическое трение снижается, пропорционально количеству смазки, но при этом увеличивается гидродинамическое сопротивление.
    Когда лыжа движется, то вода также движется относительно скользящей поверхности, а свойства потоков определяются скоростью и геометрией сечения. В гидродинамике используют число Рейнольдса, определяющее турбулентность потока. Для каждого вида течения, существует критическое значение Re, при котором оно становится турбулентным, возникают завихрения, часть потока начинает двигаться в обратном направлении, появляется дополнительное сопротивление.
    Но критическое значение Re зависит от множества параметров: для узкого, круглого канала, оно намного выше, чем для тонкого слоя. На этом основана идея "структуры": нанесение рельефа разделяет пленку, на отдельные тонкие потоки, текущие по разделенным "каналам", критическое значение Re повышается, турбулентность возникает при большей скорости.

    Структура имеет также другой смысл: уменьшение эффекта "присасывания", за счет работы поверхностных сил. В этой области работал канадский изобретатель Джордж Клейн, разрабатывая лыжи для самолетов после 2-й мировой войны. При посадке с большой вертикальной скоростью, возникает удар, выделяющий много воды, которая сильно "присасывает" лыжу к поверхности, а самолет опрокидывается вперед! В 1947 г. Д.Клейн предложил делать лыжи не гладкими, а наносить рельеф, который разбивает пленку. Он изучал свойства структур и материалов больше 20 лет, но потом результаты были забыты, до конца 20-го века.
    Л.Кузьмин также изучал свойства структур, и доказал в экспериментах: если лыжная мазь наносится на поверхность со структурой, то более устойчива, и эффективней уменьшает смачиваемость.

    Не смотря на все научные работы, структура является самым неразгаданным фактором скольжения, иногда возникают странные ситуации. Вспомним: перед Олимпиадой в Сочи, в интернете обсуждалась "секретная" лаборатория, в которой "изучались" структуры для особой подготовки лыж у Российских спортсменов. Никаких результатов не было получено, но ведь на эти сказки были реально потрачены большие деньги, которые могли пойти на полезные цели.

    Но пока выбор структуры является искусством, основанном на опыте сервисмена, есть только самые общие обоснования типов структур: нанесение более крупного рисунка при большом количестве выделяемой воды, отклонение от оси лыжи, регулярность рисунка, и тд. Также было установлено: что оптимальным является полукруглое сечение канавок, или близкое к полукруглому. Но даже эти результаты больше применимы для беговых лыж, или спидскиинга: их движение более упорядоченно, и предсказуемо. Но в горнолыжных дисциплинах, лыжи почти всегда закантованны, направление движения может отклоняться от оси лыжи до 90°, давление может также сильно изменяться, не определено даже основное направление движения воды.
    В интернете есть советы по выбору структур, под разную температуру и вид снега, наборы готовых структур идут в комплекте к станкам для обработки лыж. Но все они отобраны только эмпирически, по результатам тестов, без научного обоснования!


    Возможно, что теория структуры никогда не будет сформулирована, но для спорта это не имеет значения: ведь у всех спортсменов лыжи готовятся по интуиции, без "секретных лабораторий" и сложных расчетов, а любителям не нужны сотые и тысячные доли секунд.

    Удачи и хорошего скольжения!


    ИришкаВ

    Комментарии 3 Комментарии
    1. Аватар для iz3
      Ох, Иришка!
      Опять Вам захотелось объять необъятное! За это и люблю!
      Вот интересный документ, который легко найти: eth-28803-02.pdf.
      Обратите внимание на второй абзац заключения на стр. 44. Очень занятное утверждение!
    1. Аватар для ИришкаВ

      Нашла. На стр. 44 , 2-й абзац, есть про вес лыжника, и про структуру? Согласна, про вес очень интересно, сэнкс. Еще не прочла полностью.
      А структура, это ИМХО искусство, там все сложно.
    1. Аватар для iz3
      Да, я про вес и имел ввиду. Там, кажись, тоже всё сложно.
  • Объявления

    Доктор

    Уступлю бронирование на Красной поляне на март

    Автор: Доктор

    Уступлю бронирование на Красной поляне в Эльпида бутик отеле с 26 февраля по 7 марта, двухместный номер с завтраком, оплачены 1 сутки, общая стоимость

    07.01.2018, 14:12 от Доктор К последнему сообщению
    lukina80

    Подбор персонала

    Автор: lukina80

    Занимал Олег Станиславович Верещагин (род. 22/08/1984) в нашем горнолыжном клубе (Новгородская обл.) должность управляющего. Груб, неадекватен и вспыльчив,

    16.09.2017, 22:42 от lukina80 К последнему сообщению
    IgorDaryashin

    Продаю квартиру у горнолыжных склонов

    Автор: IgorDaryashin

    двухуровневая, 5 комн. квартира,
    с сауной и дровяным камином.
    горнолыжные комплексы
    г.Кировск Мурманской области
    3 100 000 руб

    30.06.2017, 16:31 от IgorDaryashin К последнему сообщению
    Messer987

    Продаю камеру GoPro hero 4 silver

    Автор: Messer987

    Продам новую камеру GoPro Hero 4 silver!Все в оригинальной упаковке.
    Так же есть GoPro HERO 4 Session*
    Камеры находятся в Казани.
    (Silver)Цена:23500р.*

    06.06.2017, 01:06 от Messer987 К последнему сообщению
    Xundr

    Продам внутренний фильтр для аквариума от 200 до 300л

    Автор: Xundr

    Добрый вечер всем!
    Продаю внутренний фильтр для аквариума объемом от 200 до 300 литров, описание и все характеристики фильтра можно вот здесь

    29.05.2017, 21:10 от Xundr К последнему сообщению