Kako napraviti saonice brže, prema Science
top-leaderboard-limit '>Dakle, imate potrebu za brzinom.Sljedećiubrzati. Već ste izabrali strmu padinu i pojednostavili svoj oblik. Možda na sebi imaš usko trkaće odijelo od Lycra trkaće noge i obrijao si glavu. Možda ste se obrijalisve—Kada se borite s otporom zraka, ne možete ništa prepustiti slučaju.
Pretpostavimo da ste sve to ogrebali s popisa obveza i sada želite smanjiti trenje između saonica i tla. Drugim riječima, ti si Clark Griswolding ovaj naivčina i treba ti čvrsta maziva za sanjkanje.
Može li vam znanost pomoći da idete brže? Da to može.
Tribologija i kapilarno povlačenje
Znanost trenja i podmazivanja - ono što se naziva tribologijom - usredotočila se uvelike na snijeg i led: Istraživanje vrednuju istraživači lavina, proizvođači automobila i guma i američka industrija zimskih sportova vrijedna 20 milijardi dolara. Konsenzus? Morate iskoristiti svojstva 'podmazivanja topljenom vodom'.
Kad sanjkaši zore niz brdo, ne putuju po čistom snijegu - prelaze preko mikroskopski tankog sloja taline. Ova voda, stvorena trenjem pokretnih saonica, vaše je primarno mazivo. Prema istraživačima [PDF] iz skijaške tvrtke Swix, idealan sloj taline debeo je 50 molekula i javlja se na oko 32 ° F. Sve što je toplije proizvest će višak taline koja se može prilijepiti za vaše saonice. Ovaj proces, koji se naziva kapilarno povlačenje, smanjuje brzine.
Gorko hladan snijeg nije bolji. Kad se živa spusti ispod 14 ° F, teško je pronaći značajan sloj mazive vode koja se tali. 'Kad je tako hladno, sloj tekućine neće se stvoriti bez pretjerane količine trenja', Kenneth Libbrecht, fizičar iz Caltecha i specijalist za snježne pahuljice (koji je također služio kao savjetnik za snježne pahulje u DisneyevojSmrznuto), kaže Trini Radio. U tim uvjetima sloj taline može biti tanak poput jedne molekule H20, zbog čega vaše saonice stružu o neravnine ili grube rubove nabijenog snijega. Možda pokušavate voziti niz pješčane dine [PDF].
Ako niste zimski vještac ili kineska vlada, vjerojatno ne možete kontrolirati vrijeme - ali možete kontrolirati kako se za to pripremiti. Istraživanja pokazuju da kad su mokre i tople saonice s grubim dnom urezane plitkim uzorkom od naprijed-natrag mogu biti od pomoći. Uzorak pruža manju površinu koju molekule vode mogu zgrabiti, smanjujući otpor kapilara.
Pri hladnijim temperaturama, kada su snježne pahuljice oštrije i tvrđe, važno je ojačati dno saonica kako biste mogli preorati sve neravnine koje bi inače 'zahvatile' vaš sanjkalište i usporile vas. Stoga premažite dno saonica tvrdom, glatkom supstancom poput sintetičkog voska za skije od ugljikovodika.
No bez obzira na temperaturu, najbolji način da preletite sloj topljene vode je podmazivanje dna saonica hidrofobnim materijalima, tvarima poput masti, ulja i voska koji se doslovno 'boje vode'. Nakon savjetovanja sa stručnjacima, testirao sam nekoliko hidrofobnih maziva - i sve sam ih pronašao u svojoj kući.
Jedan čovjek, jedna sanka i šest maziva
Naš se eksperiment odvijao na javnom brdskom sanjkanju u Woodstocku u New Yorku, zabijenom ispod podnožja planine Catskill. Termometar je očitavao 29 ° F - čvrsto u ne prevrućoj, ne previše hladnoj zoni zlatokose meltwater - a moj ruksak bio je prepun svakodnevnih hidrofobnih materijala: voštana svijeća od 0,88 dolara od Walmarta, WD-40, PAM sprej za kuhanje, vosak od paste od tvrdog drveta, višenamjenska začina Adobo i mast od slanine.
Moje vozilo? Plastično-zelene saonice od 11 dolara koje su očito bile namijenjene za prijevoz male djece.
Ovdje je padina bila blaga, ali snijeg nije. Bilo je staro, koricasto i tvrdo. Kasnije sam pitao Libbrechta - koji je klasificirao 35 različitih vrsta snježnih pahuljica ('većina ih izgleda poput pijeska, samo mali globusi) - koliko je takva površina pogodna za dobro brzi sanjkanje. Objasnio je da se oblik snježnih pahuljica brzo mijenja udarajući o tlo, postajući sferičniji i glatkiji dok se zbijaju od vjetra, sunca i drugih sanjki. Drugim riječima: Poput ljudi, snijeg s godinama postaje zaobljeniji.
Ovo su sjajne vijesti za brzinu, ali ne i sjajne za upravljanje. U mojoj prvoj probnoj vožnji na suho - mojoj kontroli - moja prosječna brzina bila je približno 12,6 mph. Spuštajući se, dovršio sam tri piruete i barem jednom zatražio pomoć.
Voštanica
iStock
Moj tempo od 12,6 mph bio je daleko od svjetskog rekorda u najbržem trčanju saonica (83,5 mph), pa sam se okrenuo vosku.
Trkači snijega nizbrdo vosak koriste više od jednog stoljeća. Prije četrdesetih godina prošlog stoljeća ljudi su isprobavali široku paletu prirodnih tvari kako bi dno saonica postalo glatko, uključujući pčelinji vosak, kitovo ulje, borovu smolu i loj. Sredinom stoljeća sanjkaši su trljali saonice voštanim papirom ili zgodnom svijećom. Svijeće sadrže parafinski vosak, mješavinu zasićenih ugljikovodika ravnog lanca koji sadrže 20 do 40 atoma ugljika.
vjerovali ili ne činjenicama
Prema knjiziFizika skijanja, David Lind i Scott P. Sanders, ravnolančani ugljikovodici su pravi put. Te se molekule orijentiraju u paralelnim strukturama i imaju jake intermolekularne veze, što održava vosak tvrdim na hladnim temperaturama - što daje bolja svojstva klizanja. Molekule su također nepolarne i ne djeluju ljubazno s polarnim molekulama poput vode. (Međutim, Chunkier-ovi ugljikovodici koji imaju kratke lance koji se odvajaju od primarnog lanca, mekši su i 'prikladniji za ... voskove dizajnirane za povećanje vuče ili hvatanja', pišu Lind i Sanders.)
Parafinski vosak je također relativno tvrd i trebao bi dobro obaviti svoj posao jašući preko snježnih neravnina sve dok snijeg nije jako hladan. I to se događa: Dvije minute sam kružnim pokretima utrljavao hladnu svijeću u podnožje saonica. Jednom kad sam stražnjicom udario u saonice, krstario sam. Udario sam otprilike 17,98 mph.
WD-40
Prema sveobuhvatnom popisu, WD-40 ima više od 2000 namjena: može ukloniti gumu sa sjedala školskog autobusa, podmazati kotače futrola za tubu, pa čak i spriječiti štenad da žvaće na telefonskim linijama. Također na popisu: 'Podmazuje sanke i tobogane' [PDF].
To nije iznenađenje:WDoznačava 'istiskivanje vode'. I dok je formula tehnički tajna, slijedi naŽIČANkoristio je plinsku kromatografiju 2009. kako bi otkrio crnu magiju iznutra. Njihov zaključak: alkani. Alkani su vodoodbojni ugljikovodici koji se odbijaju vezati ni za vodik ni za kisik. Drugim riječima, točno ono što mi treba ispod saonica.
Uspjelo je: Nakon štetnog raspršivanja od 10 sekundi, WD-40 je radio isto vrijeme kao i vosak za svijeće. Ali, Bože, je li moje putovanje bezbožno mirisalo. I ne samo to, već sam kasnije saznao da su neki alkani ključni za sposobnost njemačkog žohara da proizvodi feromone namijenjene privlačenju partnera. Tako sam se tome morao radovati.
PAM originalni sprej za kuhanje koji se ne lijepi
Da sam znanstvenik, testirao bih sve ove materijale s ciljem utvrđivanja koeficijenta trenja, brojke koja kvantificira količinu trenja između dviju površina. To se može izraziti sljedećom formulom, koja, prikladno, umire da napiše riječzabava.
Lucy Quintanilla, Trini Radio
Kinetičko trenje materijala možete izmjeriti instrumentom koji se naziva oscilograf. Nažalost, radim za medijsku tvrtku. Nemamo oscilografe.
Međutim, volio bih da ga imam za ovaj dio eksperimenta. Jer dok je koeficijent trenja za ovaj snijeg koji struže kožu zasigurno bio nizak, ne mogu govoriti o svojim saonicama trljanim u ulju repice. Trebao je imati nizak koeficijent trenja, ali sprej 'No-stick' živio je svoje ime na sve pogrešne načine - tako što se nije zalijepio za dno mojih saonica. Nestao je gotovo odmah, čineći moje PAM vrijeme jednako sporim kao i moja kontrola.
Vosak od paste od tvrdog drveta
Vosak za paste je mazivo šampiona. Samo pitajte Toma Coxa, bivšeg prvaka američkog državnog prvenstva u sanjkanju, koje se svake godine održavalo u Camdenu u državi Maine. Cox je ujedno i njegov glavni inspektor tobogana, osiguravajući da 400 drvenih saonica koje se svake godine utrkuju udovolje smjernicama natjecanja.
Vidio je svakakve tvari izliježene na dno saonica, od voska za zemlju do zavjesa od limuna. 'Svi to rade drugačije, a ja vam ne mogu reći u čemu je tajna', kaže Cox za Trini Radio. 'Cijelu stvar sam pobijedio 2003. godine i koristili smo vosak za tijesto, vosak od tvrdog poda, ali ne znam je li to odgovor, jer od tada nisam pobijedio.'
Cox je možda zapeo u natjecateljskoj kolotečini, ali dokazani je prvak i vjerujem njegovim metodama. Usprkos tome, brzo sam naučio da se vosak za paste najbolje maže na drvu, a ne na plastici. Rukama širim mekani vosak; bio je kvrgast i neravan, poput osušenog maslaca od kikirikija. Privukao sam neobične poglede prolaznika koji su možda mislili da gutam sendvič raširen na moje saonice. Oh, i ostavio je zdepasti smeđi trag goopa niz brdo.
Ali koga briga? Moje su saonice skoro pogodile 20 kilometara na sat.
U uvjetima poput ovih, koketiranje s točkom topljenja snijega, mekani vosak poput voska za tijesto može biti idealan. Koeficijent za navošteno drvo na suhom snijegu izuzetno je nizak: 0,04. (Što je broj bliži nuli, to je i klizaviji. Za usporedbu, koeficijent za led protiv leda je oko 0,03.) Mogu samo zamisliti koliko bi taj broj mogao biti nizak za plastične dječje saonice.
Višenamjenska začina Adobo
Još jedan poseban sastojak koji se također pojavio na dnu saonica na Državnom prvenstvu u sanjkanju? Luk u prahu.
Neki sanjkaši misle da je nanošenje finog praha poput dodavanja sitnih kugličnih ležajeva na dno saonica. Zapravo, blago zrnasto dno može pomoći u smanjenju otpora kapilara u toplim uvjetima, sprječavajući bilo kakvu ljepljivu topljenu vodu da se spoji. Možete vidjeti da se to događa sa superhidrofobnim materijalima poput lišća lotosa, koji se sastoje od tisuća sitnih mikroskopskih stupova. Te podignute kvrge smanjuju dodirne točke između lista i kapljice vode, osiguravajući da će voda jednostavno otkotrljati. U stvari, deseci proizvođača skijaškog voska pokušavaju stvoriti voskove koji oponašaju nanostrukturu lišća lotosa. To je načelo za koje sam se nadao da ću ga postići s lukom u prahu.
Ali kad nisam uspio pronaći luk u prahu u svojoj kuhinji, okrenuo sam se začinima Adobo, koji bi mogli biti i WD-40 začina. Piletina. Odrezak. Pileći odrezak. Ovu pixie prašinu možete posuti po bilo čemu i to samodjela. Adobo možda ne sadrži luk u prahu, ali ako može prevariti nesvjesne ljude da povjeruju da sam talentirana kuharica, možda bi mogao djelovati sličnu čaroliju na moje sposobnosti sanjkanja. Dno saonica smočio sam vodom, i izdašno začinio svoju plastičnu kočiju.
Plutalo je. Bez obzira na razlog, nakon tri uzaludna pokušaja niz brdo, sve što je Adobo učinio ostavilo je za sobom užareni trag žutog snijega.
Mast od slanine
iStock
Prije Super Bowla 2018, policija Philadelphije spriječila je bijesne navijače Eaglesa da pretvore lokalna ulična svjetla u barove majmuna odraslih ribajući gradske komunalne stupove s hidrauličkom tekućinom Bio-Bottle Jack, ekološkim mazivom. Bio sam gladan primijeniti ovaj legendarni goo na svoje saonice, ali kad sam nazvao lokalne dobavljače i zatražio da ih kupe, svi su mi rekli da će dostava trajati tjednima. Sumnjao sam da je grad Philadelphia progutao zalihe istočne obale.
Stoga sam se okrenuo NFC prvenstvenoj igri, kad je Phillyjeva policija prekrila komunalne stupove s Criscom. Srećom, u hladnjaku sam imala bolju alternativu: slaninsku mast. Svatko tko je pokušao oprati ruke od svinjskog masnog tkiva to znamrzivoda. Zapravo, mast se proširila na moje saonice poput rastopljenog maslaca. Bio je mekan i voštan, a njegov se miris miješao sa svim ostalim mirisima na mojim rukama - vanilijom, uljem repice, aerosolnim gorivom, potencijalnim žoharom feromonom, voskom za tijesto, začinom za piletinu - da bi stvorio mijazmu koja je izvan mojih mogućnosti za opisivanje. Možda sam i lizao prste. Možda sam ili nisam požalio.
Otprilike u to vrijeme majka i malo dijete počeli su hodati prema brdu. Mahnuo sam im. Zaustavili su se i zurili u mene, ovaj raščupani odrasli muškarac koji je sam sjedio na brdu smeđeg i žutog snijega, okružen odbačenim bocama WD-40 i višenamjenskim začinima, energično ribajući neobičnu mast na dnu fluorescentnih saonica sagrađenih za mala djeca. Majka je uhvatila dijete za ruku i krenula u suprotnom smjeru.
Svejedno! Mast od slanine kretala se brzinom od 17 milja na sat.
Možda sam mast nanio pregusto. Prema Lindu i Sandersu, nanošenje tekućeg voska trebalo bi biti debljine između 0,005 i 0,02 milimetra: 'Da su ovi završni slojevi voska išta deblji, vjerojatnije je da će pokupiti prljavštinu s površine snijega, što će, kao što smo vidjeli, povećat će trenje. '
Drugim riječima, postoji previše maziva. Kad sam mazao slaninu krpom krpom, udario sam 19 kilometara na sat.
Savjeti za vožnju
Moji eksperimenti na sankanju nisu bili znanstveno strogi. Nisu bili pravilno kontrolirani. Moje saonice nikad nisu išle istim putem nizbrdo. Broj zbunjujućih varijabli koje su mogle iskriviti svaki rezultat, zbunjujuće je.
Ali rezultati se poklapaju sa savjetima stručnjaka: ako možete, sanjkajte se na temperaturama oko 32 ° F, kada je talina optimalne debljine. Izbjegavajte iskušenja svježe palog snijega i pričekajte da se te oštre pahuljice zaglade u uglačanu stazu za sankanje. Ako imate drvene saonice, brusite ih. (Prema Coxu, 'Oni koji prođu najbrže [na Državnom prvenstvu u sanjkanju] se izbruse prije nego što na njih stavite vosak, izbrusite vrlo, vrlo finim papirom, možda 1500 zrna.') Ako možete, odaberite unutarnji cijev preko plastičnih saonica. U 2009. godiniJournal of Traumastudija pod nazivom 'Sanjkanje: Koliko brzo mogu ići?' istraživači su otkrili da zračnice putuju u prosjeku 2 mph brže od plastike.
Ako morate koristiti plastiku, odlučite se za polietilen. Hidrofobno je i jeftino. Prema glaciologu Samuelu Colbecku, polietilen je 'tvrd, vrlo elastičan, može se zaglađivati i utiskivati različitim uzorcima, može biti porozan, lako se premazuje voskom, ne lijepi se ledom i ima [koeficijent trenja ] na koje površinsko onečišćenje ne utječe jako '[PDF]. Na kraju, premažite svoje saonice hidrofobnim voskom: fluorokarbonski skijaški vosak je optimalan, ali sami majstori uvijek mogu držati svijeću u džepu.
Također, ponesite Adobo. Neće vaše saonice biti brže, ali ostavit će trag svijetlo žutog snijega koji jamči da ćete imati brdosvisebi.
Za više informacija o fizici sportova na snijegu, Trini Radio preporučuje izvanrednu i autoritativnu knjigu Davida Linda i Scotta P. SandersaFizika skijanja.