Трибология лыжных гонок

• максимальный момент пары сил, препятствующий качению, в широких пределах не зависит от радиуса катка.
• максимальный момент сопротивления качению про­порционален силе нормального давления катка на опорную плоскость и дос­тигается в момент выхода катка из положения равновесия
• коэффициент трения качения зависит от материала катка, опорной плоскости, а также от физического состояния их поверхностей.

Рис. 2.5

Коэффициент трения качения при качении можно считать не зависящим от угловой скорости качения катка и его скорости скольжения по плоскости.

Законы трения качения, как и законы трения скольжения, справедливы для не очень больших давлений и не слишком легко деформируемых материалов катка и плоскости. Для начала качения требуется значительно меньшая сила, чем для начала скольжения тела одинакового веса по горизонтальной плоскости. С точки зрения затрат энергии выгодно заменять скольжение качением. Изобретение колеса примерно 5000 лет назад явилось огромным достижением человечества по пути борьбы с трением. Так как наш работа посвящена лыжным гонкам, мы не стали раскрывать трение качения так же подробно как трение скольжения.

3. Лыжи и трение.

Занятия лыжным спортом, так же как лыжные прогулки и походы, невозможно представить без лыжных смазок. В настоящее время ведущие фирмы выпускают такое количество различных мазей и парафинов, что человеку, далекому от лыжного спорта, порой не просто разобраться, что к чему. Что делать с таким количеством смазки и как этим пользоваться? Для того чтобы понять, в чем смысл мазей нужно иметь элементарное представление о снеге.

3.1 Характеристики снега.

Содержание воды, грязи, температура снега и воздуха, размер и форма кристаллов - это наиболее важные характеристики снега, учитываемые при подготовке лыж. Снег различается по твер­дости, размеру кристалла и упругости. Именно эти различия и будут, в конечном итоге, обуславливать наш выбор мази и под­готовки скользящей поверхности.

Некоторые виды снега, особенно при температуре в пределах -1°C - -7°С, не создают серьезных проблем со скольжением или держанием. Иметь же дело с другими видами снега, такими как, например, очень холодный снег, мокрый снег и снег около 0°С, намного сложнее. Бывает и такой снег, на котором очень сложно сохранить скольжение на дистанции, превышающей несколько километров. Особенно это относится к грязному снегу. Вследст­вие растущего промышленного загрязнения, где бы мы ни катались, мы все чаще и чаще сталкиваемся с грязным снегом, и поэтому при выборе мази важным фактором является грязеустойчивость.

Рассмотрим различные типы снега, начав с самого холодного.

3.1.1. Очень холодный снег.

В самом низу температурного диапазона находиться очень холодный снег, который представляет особые трудности для по­лучения хорошего скольжения. Как правило, для холодного снега характерны колючие остроконечные кристаллы, которые к тому же, вследствие холода, очень жесткие. Эти острые кристаллы врезаются в мазь на скользящей поверхности, как гравий а по­крышку автомобиля, и таким образом препятствуют скольжению. Кроме того, они обладают высокими абразивными свойствами, что приводит к быстрому истиранию мази. По этим причинам для очень холодного снега необходимы гладкая скользящая поверх­ность и очень твердая мазь. При холодном снеге очень легко добиться хорошего держания, однако, как и в случае со смазкой лыж для скольжения, найти держащую мазь, которая бы сколь­зила и была бы "комфортной", может оказаться не так-то просто.

3.1.2. Холодный и "средний" снег.

Для холодного и среднетемпературного снега достаточно лег­ко подготовить лыжи. Кристаллы не такие острые, как при очень холодном снеге, и поэтому они не так глубоко проникают в мазь и не так сильно тормозят лыжи; структура кристаллов уже не такая жесткая, они становятся чуточку эластичнее. Оба этих фактора означают, что такой вид снега создает меньше трения. Кроме того, в таком снеге содержание воды, как правило, не достаточно для того, чтобы привести к проблемам с подсасыванием. Прак­тически вес смазочные компании выпускают мази, которые хо­рошо работают от - 1°С до -7°С или 8°С.

3.1.3. "Нулевой" снег.

Снег около 0°С таит в себе целый ряд трудностей. Обычно присутствует большое количество воды, и в то же время очень близка точка замерзания. Таким образом, проблема заключается как в подсасывании, так и в возможном обледенении. Современ­ные мази скольжения (фторуглероды) показывают свои лучшие качества в этом температурном диапазоне, а новые держащие мази, многие из которых содержат фторуглероды, работают в этих условиях намного эффективнее прежних. "Механическое" держание также является одним из возможных решений ("рыбья чешуя", ворс и т.д.).

3.1.4. Выше нуля

Температуры выше точки замерзания (естественно, речь идет о температуре воздуха: снег не может быть выше 0°С, иначе он, собственно, перестает быть снегом) означают три вещи:

1. Вероятно, будет присутствовать большое количество во­ды. Торможение подсасыванием, вызванное избытком воды, может быть минимизировано за счет активной структуры скользящей поверхности и применения фторуглеродов (далее "фторы") или "фторпарафинов" с целью уменьшения поверхностного натяжения. "Фторпарафнины'' - это мази с большей или меньшей концентрацией в них фторуглеродов, как противоположность "чистым" фторам, которые выпускаются в виде порошков или твер­дых брикетов
2. В процессе таяния и замерзания кристаллы снега будут
   трансформироваться в более крупную и округлую струк­туру. Чем округлее становится кристалл, тем мягче тре­буется мазь - как для держания (клистеры), так и для скольжения. Это необходимо для того, чтобы более округлый кристалл мог проникнуть в мазь.
3. Вероятно, вместе с таянием снега будет расти его заг­рязненность.

Помимо температуры снега и содержания в нем воды есть еще два фактора, которые сильно влияют на работу лыж и мази: грязь и "укатка" лыжни.

3.1.5. Грязь.

 Вследствие всевозрастающего промышленного заг­рязнения содержание грязи в снеге с каждым днем становится все больше и больше. Кроме того, по мере таяния снега, вся грязь, уже содержащаяся в нем, собирается на оставшемся снеге.

Грязь приводит к истиранию мази и, внедряясь в нее, уси­ливает трение. В свою очередь, это приводит к подсасыванию воды загрязненной структурой. Держащие мази набирают грязь и создают торможение с невероятной быстротой, перемешиваясь с грязью до образования твердого поверхностного слоя. В таких условиях снегу очень трудно сцепиться с мазью.

Если мягкие мази по своей твердости лучше всего подходят к размеру кристалла при влажной теплой погоде, то более твердые мази, скорее всего, будут лучше противостоять грязи. Мягкие мази скольжения, иногда содержащие силикон или тефлон, очень хорошо работают на коротких дистанциях, тем не менее чистые фторы все же чаще будут давать преимущество в таких погодных условиях, особенно на длинных дистанциях, благодаря своей способности отталкивать грязь. По тем же причинам, многие производители выпускают для влажного снега фторированные держащие мази и клистеры: меньше трения, по­вышенная сопротивляемость грязи.

3.1.6. Укатка лыжни и "старение"

Свежевыпавший снег имеет самые острие кристаллы. Укатка "старит" снег и лишает его остроты, она также перемешивает его, создавая более одно­родные условия по всей лыжне.

Как же происходит процесс "старения"? Во время укатки снег ударяется обо все, что попадается ему на пути, и кончики крис­таллов отламываются. Кроме того, укатка "спекает" снег, выводя из него воздух и позволяя ему еще больше уплотниться.

Удары снега также вызывают кратковременное периферийное таяние, которое, в свою очередь, может вести либо к округлению кристаллов, либо к их смерзанию, что делает снег менее агрес­сивным, более твердым и более однородным по всей лыжне.

Поскольку укатанный снег более "округлый", то, как для дер­жания, так и для скольжения, может потребоваться более мягкая мазь. Однако имейте также в виду, что поскольку укатанный снег тверже, по причине спекания и таяния/замерзания, он может быть более абразивным.

3.1.7. Типы снега.

Для выбора парафинов и мазей важен вид кристаллов снега. Падающий или свежевыпавший снег - наиболее критичная ситуация для смазки лыж. Острые кристаллы свежевыпавшего снега требуют парафина или мази, которые не допускают кристаллы внутрь слоя смазки. При положительных температурах воздуха, когда насыщенность снега водой все время возрастает, требуются водоотталкивающие мази. Кроме того, в зависимости от зернистости снега необходима накатка более крупных или мелких желобков на скользящую поверхность:

1. Мелкозернистый снег, острые кристаллы требуют накатки узких, более мелких желобков.
2. Более старый, лежалый снег при средних зимних температурах требует накатки средних желобков.
3. Вода и большие, круглые снежные кристаллы требуют накатки крупных желобков.
4. Свежевыпавший снег - падающий и свежевыпавший снег, характеризующийся относительно острыми кристаллами и требующий твердой мази.
5. Подмерзший зернистый снег, если влажный снег подмораживается, то получаем снег, характеризующийся крупнозернистостью с частицами замерзшей воды, требуется применения клистера в качестве грунта.

Теперь глубже взглянем на теорию смазки лыж: какую функцию выполняют мази, почему они работают, а также почему, иногда, они не работают?

3.2. Как работает мазь держания.

Вокруг мази скольжения всегда ведется много разговоров. Однако не нужно забывать, что обычно в ходе соревнований, на тренировке и даже на прогулке большую часть времени (до 70 процентов) мы затрачиваем на подъемы. При коньковом ходе преодолению подъемов определенно способствует хорошее скольжение, которое мы можем получить, используя подходящую мазь скольжения. Когда же дело доходит до классического хода, на мой взгляд, мы слишком много беспокоимся не о тех вещах, и забываем о самом важном, от чего зависит результативность тренировки и удовольствие от катания - о держащей мази (см. Рис. 3.1, 3.2).

Рис. 3.1

Задача держащей мази - дать возможность кристаллам снега более глубоко проникнуть в мазь, чем в случае с мазью скольжения. Это проникновение "пригвождает" лыжи к снегу, уберегая лыжника от проскальзывания и позволяя ему продвигаться вперед. Здесь будет уместной аналогия с ботинком на резиновой подошве, который находится на ложе из гвоздей.

Рис. 3.2

Эта простая картина усложняется тем фактом, что под меньшим давлением, как только заканчивается отталкивание и начинается скольжение, держащая мазь должна быть в состоянии еще и скользить. Скольжение усиливается механическим путем, а именно за счет прогиба лыжи, который приподнимает держащую мазь над снегом во время скольжения. Жесткость лыжи, длина колодки, вес и сила конкретного лыжника также влияют на скольжение.

Тип снега и его состояние определяют, какую держащую мазь мы будем использовать. Поэтому коротко рассмотрим то, как различные типы снега влияют на выбор мази для классического хода.

Тип снега

Новый, жесткий, остроконечный снег требует жесткой мази, такой как зеленая.

Укатанный снег, который стал мягче, грубее и плотнее, требует более мягкой мази - скажем, фиолетовой.

Трансформированный снег, который подтаял и вновь смерзся в более крупные и округлые крупинки, требует еще более мягкой мази, позволяющей проникать в себя широким "кончикам" кристаллов. Когда эти кончики очень широкие, как у льда или снежной каши, требуется действительно мягкий клистер.

Обледенение

Картина еще больше усложняется тем, что держащие мази могут "подмерзать" и скалываться, если используются при температурах ниже своего рабочего диапазона - то есть, если кристаллы слишком глубоко проникают в мазь. То же самое может произойти, когда на лыжне присутствует вода, но температура при этом ниже точки замерзания, а также в снегопад при температуре чуть ниже 0°С. Результатом в любом случае будет то, что у лыжника либо совсем не будет держания, либо он потащит на своих лыжах несколько килограммов снега и не сможет скользить.

Поскольку при температуре около точки замерзания, подчас неясно, что лучше - клистер или твердая мазь, а также поскольку при такой температуре, вероятно, будет присутствовать вода, то выбор мази в таких условиях может стать кошмаром. (На самом деле попасть в нужную мазь для скольжения при 0°С столь же трудно, но поскольку результат ошибки менее зрелищен, то вся слава достается смазке лыж для держания). Тем не менее, разрабатываются новые держащие мази, которые достаточно эффективны в "нулевых" условиях. Некоторые универсальные, или всепогодные, мази хорошо работают в широком диапазоне условий, как и ряд новых фторированных держащих мазей.

Полезное эмпирическое правило, гласит: избегайте применения клистера, если в нем нет острой необходимости. Это правило поможет избежать проблем с "подмерзанием", и ваши лыжи зачастую будут ехать быстрее.

И снова грязь

Держащие мази по причине своей относительной мягкости, а также вследствие того, что в момент отталкивания ногой они останавливаются и прижимаются к снегу, собирают большое количество грязи (на участках с явными признаками грязи старайтесь идти бесшажным ходом). Эта грязь ограничивает эффективность действия мази: 1J создает торможение (и износ), 2) делает мазь менее эластичной 3) ограничивает рабочую поверхность мази: например, большое количество сосновых иголок, прилипших к лыже, попросту сокращают ту площадь поверхности мази, куда мог бы проникнуть снег.

Мягкие держащие мази также смещаются назад вдоль скользящей поверхности, и таким образом, попадая на зону скольжения, создают торможение; это типичная проблема с клистерами.

Более жесткие лыжи могут помочь избежать торможения, вызванного соприкосновением мази со снегом, а также в некоторой степени накопления грязи.

Сегодня разрабатываются новые держащие мази и клистеры, которые содержат множество разных добавок - фтор, графит и т.д. Идея состоит в том, чтобы создать мазь, которая будет лучше скользить, противостоять грязи, и при этом иметь сцепные качества не хуже прежних. Первые образцы этих мазей применялись с переменным успехом - мази не создавали уверенного сцепления, либо быстро сходили (хотя в некоторых случаях при свежевыпавшем снеге попеременные слои смоляной и графитовой мазей действительно дают очень "комфортные" лыжи).

Тем не менее, мази уже нового поколения очень эффективны. Они действительно быстрее и "комфортнее" прежних, и после новых доработок, они также предлагают хорошее сцепление в широком диапазоне температур, и прекрасно держаться на скользящей поверхности. Здесь действительно произошел прогресс!

 Держащая мазь может создавать сильное торможение, если подобрана неправильно и/или если в снеге присутствует грязь; недостаточное держание делает невозможным эффективное передвижение на лыжах. Именно по этим причинам тестирование держащей мази является намного более важным, чем тестирование мази скольжения, особенно при меняющихся погодных условиях. Если для скольжения можно подобрать "приблизительную" мазь, то держанию всегда нужно уделять первостепенное внимание.

А теперь поговорим о мазях скольжения.

3.2. Как работает мазь скольжения.

Цель настоящей главы - дать обзор двум вещам: какую функцию выполняет мазь скольжения, и какие ее виды существуют.

Вероятно, для лыжника, катающегося ради отдыха, будет вполне достаточно и "приблизительной" мази (держащая мазь - это другая история). Однако для хорошо тренированного спортсмена, который обладает хорошей поставленной техникой и располагает лыжами, подходящими к его весу, способностям и снегу, более "точная" мазь позволит иметь преимущество в скольжении.

Для того чтобы понять, как легко и эффективно применять мази скольжения, рассмотрим различные теории того, как и почему мазь работает. Хотя ни одну из этих теорий и нельзя считать полностью достоверной (никто в действительности никогда не видел поверхность снега, взаимодействующую со скользящей поверхностью лыжи и мазью), они, похоже, работают и являются полезным инструментом, дающим представление о том, что же происходит, когда лыжа приходит в соприкосновение со снегом. Четыре теории включают в себя такие понятия, как упругость кристалла, контролируемое трение/влажная смазка, поверхностное натяжение, сухая смазка и отталкивание грязи.

 3.2.1. Упругость кристалла.

Не смотря на то, что эта теория не находила большого внимания, она все же заслуживает короткого обсуждения. Согласно теории упругости кристалла, лыжа скользит, когда кристалл снега прогибается (упругая деформация) или разрушается. Кристалл холодного снега менее эластичный, поэтому для того, чтобы удержать его и прогнуть, мазь должна быть тверже. Чем выше температура снега, тем легче прогнуть кристалл и тем мягче должна быть мазь для обеспечения достаточного проникновения и удержания кристалла.

3.2.2. Контролируемое трение.

Это классическая теория, которая утверждает, что если мы создадим контролируемое количество трения между скользящей поверхностью лыжи и снегом, то сможем растопить ровно столько снега, сколько требуется для скольжения по мельчайшему слою капелек воды, действующих наподобие крошечных шариковых подшипников. Подогнав твердость мази к характеристикам снежного кристалла, мы можем получить оптимальную степень проникновения кристалла  Это создаст контролируемое трение, которое, в свою очередь, приведет к периферийному таянию снежного кристалла (очень незначительному таянию, только на границах кристалла). В результате лыжа заскользит по очень тонкому слою капелек воды. Для такой влажной смазки, оптимальная мазь определяется:

·        формой снежного кристалла (его остротой)

·        температурой снега (чтобы вызвать таяние холодного снега, потребуется больше тепла/трения)

·        прочностью снега (холодный кристалл крепче теплого)

·        наличием влаги (мы не хотим создать слишком большое количество воды, иначе мы получим эффект подсасывания, см. Рис. 3.3)

Рис. 3.3

Теория контролируемого трения дает нам заметные и предсказуемые результаты, и это делает ее полезной для практического применения.

Из этой теории следует, что слишком твердая мазь не допустит проникновения кристаллов, а значит, трения для образования необходимой водяной пленки будет недостаточно. (Ситуация дополнительно усложняется действием веса лыжника). В то же время слишком мягкая мазь даст избыточное проникновение, что приведет к слишком большому трению и, соответственно, к образованию большого количества воды. Еще более мягкая мазь может позволить кристаллам снега проникать в себя настолько глубоко, что движение станет невозможным. Кроме того, мягкие мази охотнее собирают грязь.

Посмотрим, как теория работает в некоторых определенных условиях:

Холодный снег представляет особые трудности. Как правило, холодные кристаллы снега либо очень острые, либо очень жесткие, либо и то и другое вместе. Чтобы создать необходимое количество трения и растопить кристалл, потребуется много энергии. При таких низких температурах, чтобы вызвать таяние, требуется много тепла, и поэтому избежать торможения очень трудно. Вот почему холодный снег обычно медленный, а действительно хорошие мази на холодный снег очень твердые и найти их нелегко. В этой ситуации выходом становиться сухая смазка. Мы поговорим о сухой смазке ниже в этой главе.

Укатка лыжни также влияет на скольжение. Сбивая кончики кристаллов, укатка способствует хорошему скольжению в холодную погоду. Но вместе с тем, поверхность холодного укатанного снега может быть очень жесткой и абразивной, поскольку укатка сплавляет жесткие кристаллы холодного снега вместе; в таких условиях мазь имеет тенденцию быстро изнашиваться. Это еще одна причина, почему в морозную погоду необходима твердая износостойкая мазь.

Свежевыпавший снег по некоторым свойствам напоминает холодный. Пока новый снег не укатан, а значит, кристаллы еще не "затуплены", будет наблюдаться тенденция к дополнительному трению.

Среднетемпературный снег не предъявляет высоких требований к смазке. Кристаллы менее острые и менее жесткие, при таких температурах обычно уже отмечается некоторое присутствие воды (но недостаточное для того, чтобы создавать серьезное подсасывание). По этой причине при средних температурах достичь хорошего скольжения проще. Вот почему хороших среднетемпературных мазей так много.

Теплый снег, как правило, влажный и имеет тупые кристаллы. По этой причине мази для теплого/влажного снега мягче (чтобы обеспечить проникновение). Вместе с тем из-за присутствия большого количества воды возрастает вероятность подсасывания - лыжи начинают ехать медленнее. В этой ситуации, для уменьшения торможения, вызванного подсасыванием, может потребоваться нанесение структуры - маленьких бороздок, которые выдавливаются или нарезаются на скользящей поверхности лыжи с целью уменьшения эффекта подсасывания. Поверхностное натяжение мази, которое влияет на форму и размер водяных капелек, также становится фактором скольжения.

Кроме того, таяние снега обычно приводит к повышенному содержанию в нем грязи. Хороших мазей, пригодных для этих особых условий, не так много; эффективными могут быть различные добавки и альтернативы (такие как, фторуглероды).

3.2.3. Поверхностное натяжение.

Как только сформировался слой воды, появляется необходимость в управлении формой и размером водяных капелек. Отчасти это достигается путем регулирования трения и, таким образом, количества воды. Однако различные компоненты мази также помогают управлять размером и формой капелек за счет изменения величины поверхностного натяжения.

Примерно также, как капли дождя по-разному формируются на кузове недавно отполированного автомобиля, покрывая его множеством маленьких "бусинок", различные типы мазей влияют на размер и форму капелек воды. Крупная широкая капелька будет создавать эффект подсасывания, тогда как маленькая и круглая будет в большей степени выполнять роль смазки/подшипника.

Поверхностное натяжение помогает объяснить, почему различные мази, предназначенные для одной и той же погоды, ведут себя совершенно по-разному. А также, почему одна и та же мазь дает разные результаты в практически одинаковых условиях - например, в некоторых районах или странах, где, скажем, при одной и той же температуре содержание воды в снеге может быть разным.

Самым ярким примером применения этой теории является фторуглеродная "мазь". У фторуглеродов (фторов) поверхностное натяжение значительно выше, чем у обычных парафинов, а коэффициент трения ниже. В результате на скользящей поверхности, обработанной фторуглеродом, образуются значительно более мелкие и круглые "бусинки", чем после смазки обычной мазью. Это главная причина, почему фторуглеродные "мази" лучше работают в условиях высокой влажности. (Другая причина - это высокая грязеустойчивость фторуглеродов. Влажный снег, особенно, в котором происходит таяние, как правило, содержит много грязи, и в таких условиях у фторуглеродов появляется значительное преимущество.)

Фторуглероды работают в очень широком диапазоне температур и в довольно широком диапазоне влажности. Наилучшим образом они ведут себя при высокой влажности, и чем она выше, тем шире их температурный диапазон.

Тем не менее, во время тестирования фторуглероды не всегда оказываются самыми быстрыми. Часто их настоящее преимущество не проявляется до того момента, пока не пройдешь порядочное количество километров. Если после этого фторы все еще будут продолжать ехать быстро, вследствие своей грязеустой-чивости и общей твердости, то парафины начнут сбавлять ход. Таким образом, фторы можно отнести к "мазям" для длинных дистанций. К сожалению, они иногда не совсем подходят для коротких дистанций, таких, например, как юношеские гонки.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5