Tribologie a lyžování Tomáš Nakládal Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, Technická 2, 616 69 Brno, Česká republika Teplota, vlhkost a struktura sněhu, lyže a také trenérův instinkt má velký vliv na vítězství závodníka na lyžích. Na 15 kilometrové trati dělí závodníky klasického lyžování v cíli jen zlomky vteřiny. A tyto zlomky vteřin je možno ušetřit dobrým namazáním. Pro pochopení všech těchto faktorů je důležité porozumět všem fyzikálním a chemickým procesům, které se odehrávají mezi zasněženou lyžařskou stopou a skluznicí. Nízké tření na sněhu a ledu za normálních teplot je zapříčiněno zvláštními vlastnostmi sněhu a ledu, jako je např. nízká pevnost ve smyku, relativně vysoká hodnota tvrdosti i v blízkosti bodu tání a i za přítomnosti předtavené vrstvy pod bodem táním. V této práci představíme faktory, které přispívají k celkovému tření mezi skluznicí a sněhem či ledem. Relativně důležité faktory podílející se na celkovém tření jsou meteorologické podmínky a stav sněhu, dále závisí na zatížení skluznice vůči sněhu a rychlosti. Jeden důvod pro široký rozsah teplot, při kterých je sníh a led kluzký je existence tvoření nekrystalických zárodků vrstev během tání.
1. ÚVOD Známe dva základní druhy vosků, které se nachází mezi skluznicí a sněhem, a to vosky stoupací a sjezdové. Tyto se dále dělí podle tepelných podmínek pro které jsou určeny a chemického složení. Dnešní vosky jsou k dostání v tuhém, pastovém i tekutém stavu. Jsou barevně odlišeny pro určitá rozmezí teplot, pro možnost optimálního výběr vosku. Spotřeba energie lyžaře bude muset být o to větší, čím větší budou odpory vůči jeho pohybu. Gravitaci neovlivníme, aerodynamiku lze částečně ovlivnit, ale to hlavní co lze ovlivnit jsou odpory třením. (obr.1) V suchém režimu tření je zatížení a pohyb přenášen drsností stýkajících se povrchů, a tření je určeno fyzikálně chemickým vzájemným působením těchto ploch. Zavedením filmu kapaliny mezi dvěma pohybujícími se povrchy se může tření mezi nimi podstatně snížit. Za těchto podmínek je odpor tvořen vnitřním tření (viskozitu) mazací tekutiny. Režim mezi těmito dvěma extrémy je nazývaný smíšeným mazáním a je jak název naznačuje, kombinací suchého a kapalinné mazání. Tyto tři režimy mohou být znázorněny Stribeckovou -křivkou (obr. 2). [1]
(obr.1)
(obr.2) [4]
2. TŘENÍ NA SNĚHU A LEDU
2.3 DALŠÍ FAKTORY TŘENÍ
Pro základní rozdělení lze tření rozdělit na statické a dynamické.
Celkové tření mezi sněhem a skluznicí je dáno vlastnostmi sněhu, povrchu a materiálu kluzné vrstvy, atmosférickými podmínkami a vzájemným působením sněhu a kluzné vrstvy. Děje, které utváří celkový koeficient tření jsou vzájemné vrývání vrstev, deformacemi těles, mazání vrstvou kapaliny, kapilární přitažlivostí, znečištěním povrchu. Tyto jednotlivé složky tření lze sčítat k získání celkového tření. [1] Procesy, které utváří celkový mechanizmus tření nefungují samostatně. Rozdílné třecí mechanizmy jsou dominující pro rozdílné meteorologické a sněhové podmínky.
2.1 STATICKÉ TŘENÍ Statické tření určuje sílu potřebnou pro překonání síly statického tření, které působí jen při uvedení lyží do pohybu. Pro sjezdové vosky toto nastane jen jednou, takže to pro nás nemá zásadní význam. U stoupacích vosků uvažováno pro klasické lyžování tento jev využíváme pro odrážení a tento vzniklý odpor umíme pomocí stoupacích vosků znásobit. 2.2 STATICKÉ TŘENÍ Dynamické tření dělá lyžařům mnohem více starostí, protože určuje, kolik síly bude muset lyžař vynaložit pro dosažení dané rychlosti. Je zapříčiněno nerovnostmi povrchů stykových ploch a při pohybu vzájemně působících ploch se malé částice povrchů vzájemně třou a tím se uvolňuje energie v podobě tepla. Pro vzájemný třecí styk různých materiálů známe hodnoty koeficientu tření. Přibližná hodnota koeficientu tření sněhu a lyže opatřené vrstvou vosku je μ = 0,05. V tab.1 jsou některé příklady koeficientů tření.
(tab.1) Koeficient tření navoskované lyže na sněhu je pouze odhad, jelikož existuje mnoho druhů vosků, podmínek, druhů sněhu, typů skluznic a způsobů aplikace vosku. V závislosti na těchto všech okolnostech se skutečný koeficient tření pohybuje v rozmezí 0,3 až 0,001. V případě, že koeficient tření je 0,05, lyžař s hmotností 63,5 kg, rychlostí skluzu 5 m/s ujede bez odstrkávání holemi 25,5 metru. Při výběru špatného vosku a tedy koeficientu tření 0,15 se jeho dráha zkrátí na 8,5 metru. [2]
Shrnutí hlavních proměnných - pevnost sněhu v tlaku - vlhkost sněhu a obsah roztáté vody - hustota a stlačení sněhu - tvrdost sněhových krystalů (podle teploty) - velikost a tvar sněhových krystalů - zatížení na sníh (místní kontaktní tlak) - plocha, tvar a pružnost skluznice - materiál skluznice (nesmáčivost) - struktura povrchu skluznice - rychlost skluzu Pevnost sněhu v tlaku se zvyšuje se stupněm přeměny za působení tlaku. Zatížení lyže a pevnost sněhu v tlaku určují plochu kluzného kontaktu. Odpor třením je citlivý ne povrchovou strukturu (texturu) skluznice. Za nižších teplot sněhu jsou tvrdost, jemnozrnnost povrchu a tepelná vodivost důležitými faktory. Zatímco nesnášivost skluznice, impregnace voskem a textura povrchu je důležitá za vyšších teplot. [1] Nízké tření ledu bylo dříve přisuzováno tenkému filmu roztátého ledu (Reynolds, 1899) mezi skluznicí a ledem, který roztál za působení tepla vzniklého třením. Tato teorie vznikla ze znalosti, že led za vyššího tlaku taje už při nižších teplotách. Tato teorie platila jen za teplot blízkých 0°C. Tak byly teorie měněny a zamítávány.
Shrneme-li všechny předchozích výzkumy tření, uvidíme, kterými směry se výzkum směroval a jak se postupem času měnil. I. Vrstvou vody vzniklé tlakem. II. Vrstvou vody vzniklé třecím teplem. III. Natáváním obou povrchů v kontaktu. IV. Volně obsaženou vodou v sněhové struktuře. K těmto čtyřem teoriím byla roku 1994 přidána teorie pana V.F.Petrenka zakládající se na elektrickém jevu mezi plochami, který mění tření mezi sněhem/ledem a skluznicí. [6] Dnešní moderní teorie popisuje povrchové tání takto: „na povrch tělesa za neměnné teploty se vyvíjí tenká vrstva roztaveného sněhu za teplot pod fázovou změnou. (obr.3)
Jev povrchového tání se odehrává v mikroskopickém měřítku, přesto má dopad na další mikroskopické jevy jako je kluzkost ledu, ulehčení zhutňování sněhu, elektrický náboj bouřkového mraku. [7] Tloušťka povrchově natavené vrstvy se pohybuje od tloušťky 50 mono-molekul za teploty 0°C a klesá až na tloušťku 3 jednoduchých vrstev molekul při teplotě -10°C. Možný závěr problematiky tření na sněhu a ledu je, že všechny zmiňované mechanizmy přispívají k snižování tření. Důležitá příčina tohoto je, že k většině kluzu dochází v blízkosti trojného bodu fázového diagramu, kde jsou zastoupeny všechny tři fáze (led, kapalina, pára). Nejdůležitější stánkou tribologie, související s lyžováním, je ovlivnění třecího mechanizmu, zlepšení kluzu a redukování kinematického tření. V lyžování je tribo-systém tvořen následujícími prvky : 1. Vlastnosti materiálu skluznice, jako je struktůra, tvrdost a nesmáčivost vodou. 2. Fáze přeměny sněhu. 3. Vzájemné působení ovlivňujících se médií. 4. Dodávání a výměna externí energie z okolní atmosféry. 3.VLIV STRUKTURY POVRCHU SKLUZNICE
Struktura tuhého ledu. Na vnějším povrchu v kontaktu s okolní atmosférou je patrná neuspořádaná struktura tekutiny a to i za teploty nižší než je teplota fázové změny. (obr.3)
Tato vrstva primárně roztavené vrstvy předchází celkovému tání a ovlivňuje adhezi povrchů, růst zrna a další chování materiálů. U tuhých těles jako např. led, ale i u dalších materiálů dochází k tomuto povrchovému roztavení. Toto se uskutečňuje už za teplot nižších než je teplota tání a postupně tloušťka vrstvy roste s rostoucí teplotou. Na začátku je vrstva tlustá jen několik molekul a při teplotě tání se tato vrstva odlučuje. [7] Povrchové tání je speciální případ vlhčení, kdy vnitřní soudržné (kohezní) síly kapaliny jsou slabší než mezi atomární (adhezní) síly pevné látky. Vrstva předtavené kapaliny je důležitým faktorem snižující tření za nízkých teplot. Protože v průběhu tání nevznikají hranice krystalu, je tento jev uplatnitelný v širokém rozmezí teplot.
Struktura skluznice významně ovlivňuje skluzové vlastnosti lyží. Obecné pravidlo je, čím hrubší krystaly sněhu, tím hrubší struktura. Na závodní lyže je velmi důležité, ještě před mazáním zvolit správnou strukturu. Pomocí brusného kamene, který je opracován diamantem se „vybrousí“ zvolená struktura do skluznice. [5] Jemná struktura je užívána hlavně na nový sníh a jemnozrnný sníh pro toploty sněhu 0°C a méně. Také se používá na starý jemnozrnný sníh pro teploty -8°C a méně. Šířka je přibližně 0.5 mm a hloubka 0.1 až 0.2 mm. (obr.3)
(obr.3)
4. VLIV MATERIALU SKLUZNICE
Střední struktura se používá pro teploty blízko bodu mrazu, tedy 0°C v rozmezí +4°C do -6°C na starší jemnozrnný sníh. Šířka přibližně 0.5 až 1mm a hloubka 0.2 až 0.3 mm. (obr.4)
(obr.4) Hrubá stuktura se užívá pro sníh, který několikrát prošel táním a zamrznutím, nebo pro tající blízko bodu mrazu, kdy jsou krystaly sněhu hrubozrnné. Typické teploty sněhu se pohybují okolo 0°C a teploty vzduchu v rozmezí 0°C až +10°C. Šířka je přibližně 1.0 až 1.5 mm a hloubka je 0.2 až 0.3 mm. (obr.5)
Požadavky na skluznici jsou: 1. Nízký koeficient tření vůči sněhu 2. Odolnost vůči oděru 3. Dobrá přilnavost a absorbovatelnost vosků. 4. Teplotní stabilita Materiál skluznice je určitým typem uhlovodíku který nazýváme polyethylen (PE). Všechny uhlovodíky jsou chemické látky obsahující atomy uhlíku (C) a vodíku (H). Základní uhlovodík se skládá z řetězce atomů uhlíku, který má na sebe navázané dva atomy vodíku. Polyetylén je složen z dlouhého řetězce složeného z CH2 . Čím je tento řetězec delší, tím je větší tvrdost a vyšší bod tání. Konečná struktura se tvoří procesem nazvaným sinetrace, která využívá teploty a tlaku ke změně původního složení. Materiál, který nejlépe splňuje požadavky je UHMW-PE, což je polyetylén, který obsahuje velmi vysoké množství těžkých molekul. Ve struktuře jsou utvořeny malé průrvy, do kterých může být vosk absorbován po zatavení do pomocí žehličky. Během skluzu se nejprve opotřebí vrstva vosku nanesená na skluznici. Zásoba vosku, která je uschována v průrvách struktury skluznice se poté vyplavuje na povrch, kde zlepšuje skluz. [1]
(obr.5) 5. VLIV STRUKTURY SNĚHU
Povrchová struktura lyže pak například takto. (obr.6)
(obr.6)
může vypadat
Sněhový povrch, na kterém se skluz odehrává může být považován za nehybný, ačkoli část vrstvy sněhu se během skluzu pohybuje díky turbulentnímu proudění, valení zrn sněhu. Růst krystalu sněhu je určen dvěmi procesy. Prvním je růst zrna díky pronikání kapiček vody do ledového krystalu a záleží tedy na vlhkosti vzduchu. Druhý mechanizmus je způsoben pohybem ledových krystalů v mraku a následnými vzájemnými kolizemi. Když sněhový krystal doroste do určité velikosti, začne z mraku padat. Dopadají sněhové krystaly pak mohou získat různou podobu a vlastnosti v závislosti na přesycení vzduchu vodou a teplotě, při které je krystal tvořen. (obr.7) [1]
6.2 VOSKY Z FLUOROVANÝCH UHLOVODÍKÚ
(obr.7)
6. TYPY VOSKU Vosk je obecný název pro skupinu přírodních a syntetických látek, mající následující vlastnosti. 1. Jsou tuhé za pokojových teplot. 2. Podobnost včelímu vosku. 3. Má relativně nízký bod tání. 4. Roztavený vosk má nízkou viskozitu. 5. Schopnost opětného ztuhnutí. 6. Nerozpustitelný ve vodě. 7. Schopnost tvořit lesklou vrstvu s nízkým třením. Vosk je pro mazání lyží používán pro jeho nízký koeficient tření a jednoduché aplikaci na povrch skluznice. Základní syntetické vosky jsou tvořeny z uhlovodíků a liší se jen délkou řetězců. Délkou řetězců lze řídit tvrdost a teplota tání. U některých vosků je v řetězci uhlovodíku vodík (H) nahrazen fluorem (F). Potom se nazývá fluorovaný uhlovodík. 6.1
UHLOVODÍKOVÉ VOSKY
Lyžařské vosky se skládají ze tří typů uhlovodíků : parafinu, mikrokrystalického a syntetického vosku. Každý tento uhlovodík má specifické vlastnosti, co se týče teploty tání, koeficientu tření a odolnosti vůči opotřebení. Z těchto tří typů je tvořena směs lyžařského vosku.
U fluorovaných uhlovodíků jsou některé nebo všechny atomy vodíku (H) nahrazeny atomy fluoru (F). Fluor způsobuje vyšší elektronegativitu, a vosk je vodoodpudivý. Fluorovaný uhlovodík má lepší skluz – hlavně za zvýšené vlhkosti, díky snížení kapilární přitažlivosti mezi vodou a skluznicí. Také mají lepší vlastnosti na sněhu, který obsahuje nečistoty díky negativnímu náboji, který odpuzuje nečistoty. Existují tři základní typy fluorovaných uhlovodíků. Prvním typem je polytetrafluoroethylen (PTFE), který je znám pod obchodním názvem Teflon. Je tvořen polymerizací (opakovaným navazováním řetězců) molekul se dvěmi molekulami vodíku a okolními molekulami fluoru. Další dva typy vosků se liší množstvím navázaných molekul fluoru a jsou velmi drahé. [2] , [3]. 7. VLIV DRUHU MAZÁNÍ NA ROZHRANÍ Třecí koeficient je určen vzájemným působením ploch a dalšími tribologickými prvky. Podle podmínek může nastat několik způsobů tření. 7.1
SUCHÉ MAZÁNÍ
Suché tření nastává, když není přítomna vrstva vody oddělující dva povrchy. Skluzová vrstva má tloušťku jen několika molekul a dochází k přímému kontaktu. Skluz je doprovázen plastickými i elastickými deformacemi a dochází k poškození skluznice. K suchému tření dochází za velmi nízkých teplot nebo za nízkých rychlostí skluzu. 7.2
KAPALINNÉ MAZÁNÍ
Ke kapalinnému tření dochází když jsou stykové povrchy oddělené dostatečnou vrstvou kapaliny. Tření je dáno viskozitou kluzné kapaliny. Nedochází ke styku drsností povrch kluzných ploch.
7.3
SMÍŠENÉ MAZÁNÍ
Za smíšeného tření dochází současně k skluzu ploch na vrstvě kapaliny a zároveň dochází k přímému styku. To znamená, že tření při tomto způsobu mazání lze popsat kombinací teorií pro suché a kapalinné mazání. Třecí koeficient se snižuje úměrně až do stavu suchého mazání.
ODKAZY NA POUŽITOU LITERATURU [1]
Karlöf L., Axell T. L. and Slotfeldt-Ellingsen D. 2005. Why is ice and snow slippery? The tribo-physics of skiing, SWIX Tech Note series No. 1. SWIX SPORT AS.
[2]
Chris Talbot, THE SCIENCE OF SKI WAXES, ESA 2003
[3]
Lars Karlöf1, Leif Torgersen Axell, On dry lubricants in ski Wales, Swix Sport AS, Research and Development,
[4]
prof.Ing. Martin Hartl, Ph.D, Přednášky CMS I.
[5]
TOKO wax press, www.tokowax.cz
[6]
Petrenko, V. F. and S. C. Colbeck. 1995. Generation of electric fields by ice and snow friction. J. App. Phys., 77 (9), 4518-4521.
[7]
Wettlaufer, J. S. 1999a. Crystal growth, surface phase transistions and thermomolecular pressure. Ice physics and the natural environment, 39-67. Vol. 56. Berlin: Springer-Verlag, Ed. Wettlaufer, J. , Dash.
[8]
Colbeck, S. C. 1996. A review of the friction of snow. Physiscs of sliding friction, 275-291. The Netherlands: U.S. Government
(obr.2) [4] 8.
ZÁVĚR
Cílem tohoto článku bylo přiblížit současný stav výzkumu tribologických dějů, které ovlivňují skluz lyže na sněhu či ledu a směry vývoje výzkumu, které byly uplatňovány v minulosti. Bohužel jsem nemohl zacházet do podrobností, neboť zahrnout všechny faktory podílející se na tření mezi skluznicí a ledem/sněhem by bylo velice rozsáhlé. Ve výše uvedených bodech článku jsme probrali faktory podílející se na celkovém tření mezi skluznicí a sněhem za pohybu a naznačili možnosti, kterými lze tření ovlivnit.
