Článek

Jak podle vědy zajistit rychlejší sáňkování

top-leaderboard-limit '>

Takže potřebujete rychlost.dalšíRychlost. Už jste si vybrali strmý svah a zefektivnili svou formu. Možná máte na sobě přiléhavý závodní oblek Lycra a oholili jste si hlavu. Možná jste se oholilivšechno—Když bojujete s odporem vzduchu, nemůžete nic nechat na náhodu.

Předpokládejme, že jste to všechno vyškrábali ze seznamu úkolů a nyní chcete snížit tření mezi sáňkami a zemí. Jinými slovy, vy jste Clark Griswolding tento přísavník a potřebujete nějaké pevné tobogánové mazivo.

Může vám věda pomoci jít rychleji? Ano, může.

Tribologie a kapilární odpor

Věda o tření a mazání - tzv. Tribologii - se výrazně zaměřila na sníh a led: Výzkum oceňují lavinoví vědci, výrobci automobilů a pneumatik a americký průmysl zimních sportů v hodnotě 20 miliard dolarů. Konsenzus? Musíte využít vlastnosti „mazání vodou z taveniny“.

Když se sáňkaři přiblíží z kopce, necestují na vrcholku čistého sněhu - sklouzávají přes mikroskopicky tenkou vrstvu taveniny. Tato voda, vytvořená třením pohyblivých saní, je vaším primárním mazivem. Podle výzkumníků [PDF] v lyžařské společnosti Swix je ideální vrstva tající vody tlustá 50 molekul a vyskytuje se kolem 32 ° F. Cokoli zahřeje, vytvoří nadbytečnou vodu, která se může držet na saních. Tento proces, nazývaný kapilární odpor, snižuje rychlost.

Hořce studený sníh není lepší. Když rtuť klesne pod 14 ° F, je těžké najít významnou vrstvu mazací taveniny. „Když je taková zima, kapalná vrstva se nevytvoří bez nadměrného tření,“ řekl Kenneth Libbrecht, fyzik z Caltech a specialista na sněhové vločky (který také sloužil jako konzultant pro sněhové vločky v DisneyZamrzlý), říká Trini Radio. Za těchto podmínek může být vrstva tající vody tenká jako jedna molekula H20, což způsobí, že vaše sáně škrábe proti drsnosti nebo drsným hranám sněhu. Možná se také pokoušíte sjet dolů po písečné duně [PDF].

Pokud nejste Winter Warlock nebo čínská vláda, pravděpodobně nemůžete ovládat počasí - ale můžete ovládat, jak se na něj připravujete. Výzkum ukazuje, že když je vlhko a teplo, může být užitečné sáňky s hrubým dnem vyleptané mělkým vzorem zepředu dozadu. Vzor poskytuje menší povrchovou plochu pro uchopení molekul vody, což snižuje kapilární odpor.



Při chladnějších teplotách, kdy jsou sněhové vločky ostřejší a tvrdší, je důležité zpevnit dno saní, abyste mohli orat přes všechny nerovnosti, které by se jinak „uchopily“ za tobogánem a zpomalily vás. Natřete tedy spodní část saní tvrdou a hladkou látkou, jako je syntetický uhlovodíkový lyžařský vosk.

Ale bez ohledu na teplotu, nejlepším způsobem, jak překonat vrstvu taveniny, je namazat spodní část sáně hydrofobními materiály, látkami jako mastnota, olej a vosk, které se doslova „bojí vody“. Po konzultaci s odborníky jsem otestoval několik hydrofobních maziv - a všechny jsem je našel ve svém domě.

Jeden muž, jedna saně a šest maziv

Náš experiment se uskutečnil na veřejném sáňkařském kopci ve Woodstocku v New Yorku, vklíněném pod úpatí Catskillských hor. Teploměr ukazoval 29 ° F - pevně v ne příliš horké a ne příliš studené zóně taveniny Goldilocks Zone - a můj batoh byl naplněn každodenními hydrofobními materiály: vosková svíčka 0,98 $ od společnosti Walmart, WD-40, sprej na vaření PAM, pastový vosk z tvrdého dřeva, univerzální koření Adobo a tuk na slaninu.

Moje vozidlo? Plastové modrozelené sáňky v hodnotě 11 $, které byly zjevně určeny k přepravě malých dětí.

Svah zde byl mírný, ale sníh nebyl. Bylo to staré, křupavé a tvrdé. Později jsem se zeptal Libbrechta - který klasifikoval 35 různých druhů sněhových vloček („většina z nich vypadá jako písek, jen malé koule“) - jak příznivý je takový povrch pro dobré sáňkování. Vysvětlil, že tvar sněhových vloček se při nárazu na zem rychle mění, je sférickější a hladší, protože jsou zhutněny větrem, sluncem a dalšími sáňkami. Jinými slovy: Stejně jako lidé, i sníh se s věkem zaobluje.

To je skvělá zpráva pro rychlost, ale ne tak skvělá pro řízení. Při mé první zkušební jízdě na suchu - mé ovládání - byla moje průměrná rychlost přibližně 12,6 mph. Cestou dolů jsem dokončil tři piruety a alespoň jednou jsem volal o pomoc.

Vosková svíčka

iStock

Moje tempo 12,6 mph bylo daleko od světového rekordu v nejrychlejším běhu na saních (83,5 mph), takže jsem se obrátil k vosku.

Sjezdoví sněhoví závodníci používají vosk již více než století. Před čtyřicátými léty 20. století lidé zkoušeli širokou škálu přírodních látek, aby se na saních vytvořila hladká kůže, včetně včelího vosku, velrybího oleje, borové pryskyřice a loje. V polovině století si sáňkáři potřeli sáně voskovým papírem nebo šikovnou svíčkou. Svíčky obsahují parafinový vosk, směs nasycených uhlovodíků s přímým řetězcem, které obsahují 20 až 40 atomů uhlíku.

ripley tomu věřte nebo ne fakta

Podle knihyFyzika lyžování, David Lind a Scott P. Sanders, uhlovodíky s přímým řetězcem jsou způsob, jak jít. Tyto molekuly se orientují v paralelních strukturách a mají silné mezimolekulární vazby, které udržují vosk tvrdý při nízkých teplotách - a tím poskytují lepší klouzavé vlastnosti. Molekuly jsou také nepolární a neinteragují laskavě s polárními molekulami, jako je voda. (Chunkier uhlovodíky, které mají krátké řetězce odbočující z primárního řetězce, jsou měkčí a „vhodnější pro… vosky určené ke zvýšení trakce nebo přilnavosti,“ píšou Lind a Sanders.)

Parafinový vosk je také relativně tvrdý a měl by dělat dobrou práci při jízdě na sněhu, pokud sníh není hořce chladný. A je to tak: Dvě minuty jsem krouživým pohybem vtíral studenou svíčku do základny saní. Jakmile mi zadek narazil do saní, křižoval jsem. Zasáhl jsem přibližně 17,98 mph.

WD-40

Podle komplexního seznamu má WD-40 více než 2000 použití: Může odstranit žvýkačky ze sedadel školních autobusů, namazat kola tuba obalů a dokonce zabránit štěňátkům žvýkat na telefonních linkách. Také na seznamu: „Mazá sáňky a tobogány“ [PDF].

To není překvapení:WDznamená „výtlak vody“. A zatímco vzorec je technicky tajný, detektivové naWIREDpoužil plynovou chromatografii v roce 2009 k odhalení černé magie uvnitř. Jejich závěr: alkany. Alkany jsou vodoodpudivé uhlovodíky, které se odmítají vázat na vodík nebo kyslík. Jinými slovy, přesně to, co pod sáňkami potřebuji.

Fungovalo to: Po škodlivém 10sekundovém postřiku fungoval WD-40 ve stejnou dobu jako vosk na svíčky. Ale, bože, páchl můj výlet bezbožně. Nejen to, ale později jsem se dozvěděl, že některé alkany jsou klíčem ke schopnosti německého švába produkovat feromony určené k přilákání kamarádů. Takže jsem se na to měl těšit.

Originální varný sprej s nepřilnavým povrchem PAM

Kdybych byl vědec, testoval bych všechny tyto materiály s cílem určit jejich koeficient tření, což je číslo, které kvantifikuje míru tření mezi dvěma povrchy. Lze to vyjádřit následujícím vzorcem, který vhodně umírá, aby slovo vyhláskovalzábava.

Lucy Quintanilla, rádio Trini

Kinetické tření materiálů můžete měřit pomocí nástroje zvaného oscilograf. Bohužel pracuji pro mediální společnost. Nemáme oscilografy.

Přál bych si však, abych měl jeden pro tuto část experimentu. Protože zatímco koeficient tření pro tento sníh škrábající kůži byl určitě nízký, nemohu mluvit za své sáňkování, které se dabuje v řepkovém oleji. Mělo to mít nízký koeficient tření, ale sprej „No-stick“ žil svému jménu věrně všemi špatnými způsoby - tím, že se nelepil na dno mých saní. Zmizel téměř okamžitě, takže můj čas PAM byl stejně pomalý jako můj běh ovládání.

Pasta z tvrdého dřeva

Pastový vosk je mazivem šampiónů. Stačí se zeptat Toma Coxe, bývalého šampióna amerických národních mistrovství v sáňkování, které se každoročně koná v Camdenu v Maine. Cox je také jejím hlavním inspektorem tobogánů a zajišťuje, aby 400 dřevěných saní, které každý rok závodí, splňovalo pokyny soutěže.

Viděl, jak se na dno saní vrhají různé druhy látek, od běžeckého vosku po citrónovou zástavu. 'Každý to dělá jinak a já vám nemohu říct, jaké je to tajemství,' řekl Cox rozhlasu Trini. 'Celou věc jsem vyhrál v roce 2003 a použili jsme pastový vosk, podlahový vosk z tvrdého dřeva, ale nevím, jestli je to odpověď, protože jsem od té doby nevyhrál.'

Cox může být zaseknutý v konkurenční rutině, ale je to osvědčený šampión a já jeho metodám věřím. To znamená, že jsem rychle zjistil, že pastový vosk se nejlépe nanáší na dřevo, ne na plast. Rukami jsem natřel měkký vosk; bylo hrudkovité a nerovnoměrné, jako sušené arašídové máslo. Přitahoval jsem tázavé pohledy kolemjdoucích, kteří si možná mysleli, že hltám sendvič roztažený na saních. Jo, a to zanechalo hustou hnědou stopu goopu dolů z kopce.

Ale koho to zajímá? Moje sáňka téměř narazila na 20 mil za hodinu.

V takových podmínkách, jako je flirtování s bodem tání sněhu, může být ideální měkčí vosk jako pastový vosk. Koeficient pro voskované dřevo na suchém sněhu je pozoruhodně nízký: 0,04. (Čím je číslo blíže nule, tím je kluzší. Pro srovnání je koeficient pro led proti ledu kolem 0,03.) Dokážu si jen představit, jak nízké číslo může být pro plastové dětské sáňky.

Víceúčelové koření Adobo

Další speciální přísada, která se také objevila na dně saní na národních mistrovstvích v tobogánu? Cibulový prášek.

Někteří sáňkaři si myslí, že použití jemného prášku je jako přidání drobných kuličkových ložisek na dno saní. Po pravdě řečeno, mírně zrnité dno může pomoci snížit kapilární odpor v teplých podmínkách a zabránit tomu, aby jakákoli přilnavá voda z taveniny zastavila. Můžete to vidět u superhydrofobních materiálů, jako jsou listy lotosu, které jsou složeny z tisíců drobných mikroskopických sloupků. Tyto vyvýšené hrbolky snižují kontaktní body mezi listem a kapičkou vody a zajišťují, že se voda jednoduše odvalí. Ve skutečnosti se desítky výrobců lyžařských vosků pokouší vytvořit vosky, které napodobují nanostrukturu listů lotosu. To je tento princip, který jsem doufal, že mohu dosáhnout s cibulovým práškem.

Ale když jsem ve své kuchyni nemohl najít cibulový prášek, obrátil jsem se na koření Adobo, což by také mohlo být WD-40 koření. Kuře. Steak. Kuřecí steak. Tento pixie prach můžete posypat na cokoli a prostěfunguje. Adobo nemusí obsahovat cibulový prášek, ale pokud dokáže přimět nevědomé lidi, aby věřili, že jsem talentovaný kuchař, možná by to dokázalo podobné kouzlo na mých sáňkařských schopnostech. Navlhčil jsem dno svých saní vodou a velkoryse jsem okořenil svůj plastický vůz.

Propadlo to. Ať už byl důvod jakýkoli, po třech marných pokusech z kopce doleva Adobo zanechal jen zářící stopu žlutého sněhu.

Slaninový tuk

iStock

Před Super Bowl v roce 2018 policie ve Filadelfii zabránila zběsilým fanouškům Eagles přeměnit místní pouliční osvětlení na opičí bary velikosti dospělého tím, že drhli městské sloupy pomocí hydraulického oleje Bio-Bottle Jack, což je ekologické mazivo. Toužil jsem po použití této legendární goo na sáně, ale když jsem zavolal místním dodavatelům a požádal o jejich zakoupení, všichni mi řekli, že dodávka bude trvat týdny. Měl jsem podezření, že město Philadelphia zhltlo zásoby východního pobřeží.

Obrátil jsem se tedy k hře mistrovství NFC, když Phillyho policie vrhla tyče s Criscem. Naštěstí jsem měl v ledničce lepší alternativu: slaninový tuk. Každý, kdo se pokusil umýt si ruce z taveného velrybího tuku, to vínenávidívoda. Tuk se mi na saních rozšířil jako rozpuštěné máslo. Byl měkký a voskový a jeho vůně se mísila se všemi ostatními vůněmi na mých rukou - vanilka, řepkový olej, aerosolová hnací látka, potenciální feromon švábů, pastový vosk, kuřecí koření - a vytvořila miasma, které je nad moje schopnosti popsat. Můžu si nebo nemusím lízat prsty. Možná jsem to litoval.

Kolem tentokrát začala matka a malé dítě kráčet směrem k kopci. Zamával jsem jim. Zastavili se a zírali na mě, tento rozcuchaný dospělý muž seděl sám na kopci hnědého a žlutého sněhu, obklopen vyřazenými lahvemi WD-40 a všestranným kořením a energicky drhnul podivnou mastnotu na dno fluorescenčních saní postavených pro malé děti. Matka popadla dítě za ruku a vyběhla opačným směrem.

Tak jako tak! Slaninový tuk se dostal rychlostí 17 mil za hodinu.

Možná jsem tuk aplikoval příliš silně. Podle Linda a Sanderse by aplikace tekoucího vosku měla mít tloušťku mezi 0,005 a 0,02 milimetry: „Pokud by tyto konečné voskové vrstvy byly silnější, pravděpodobně by sbíraly špínu z povrchu sněhu, který, jak jsme viděli, zvýšilo by tření. “

Jinými slovy, existuje něco jako příliš mnoho lubrikantu. Když jsem obrousil tuk ze slaniny látkovým ručníkem, narazil jsem na 19 mil za hodinu.

Tipy pro vaši jízdu

Moje sáňkařské experimenty nebyly přesně vědecky přesné. Nebyli řádně ovládáni. Moje sáně nikdy nechodily stejnou cestou dolů z kopce. Počet matoucích proměnných, které by mohly zkomplikovat každý výsledek, je matoucí.

Výsledky ale odrážejí rady odborníků: Pokud můžete, sáňejte při teplotách kolem 32 ° F, když je teplota taveniny optimální tloušťka. Vyvarujte se pokušení čerstvě napadaného sněhu a počkejte, až se ty ostré sněhové vločky vyhladí na vyleštěnou sáňkařskou dráhu. Pokud máte dřevěné sáňky, obruste je. (Podle Coxe: „Ti, kteří jdou nejrychleji [na národním mistrovství v tobogánu], jsou broušeni před tím, než na něj nanesete vosk, obroušeni velmi, velmi jemným papírem, asi 1500 zrnitostí.“) Pokud můžete, zvolte vnitřní trubice přes plastové sáňky. V roce 2009Journal of Traumastudie s názvem „Sáňkování: Jak rychle mohou jít?“ vědci zjistili, že duše procházejí průměrně o 2 mph rychleji než plasty.

Pokud musíte použít plast, rozhodněte se pro polyethylen. Je to hydrofobní a levné. Podle glaciologa Samuela Colbecka je polyethylen „tvrdý, vysoce elastický, lze jej vyhladit a potisknout různými vzory, může být porézní, snadno potahovatelný vosky, snadno se nelepí na led a má [koeficient tření ], který není výrazně ovlivněn povrchovou kontaminací '[PDF]. Nakonec si sáně pokryjte hydrofobním voskem: Optimální je fluorocarbonový vosk na lyže, ale kutil si může vždy nechat v kapse svíčku.

Přineste také Adobo. Nebude vám sáňka rychlejší, ale zanechá stopu jasně žlutého sněhu, což vám zaručí, že budete mít kopecVšechnopro sebe.

Pro více informací o fyzice sněhových sportů doporučuje Trini Radio pozoruhodnou a autoritativní knihu Davida Linda a Scotta P. SanderseFyzika lyžování.