Friktion og smøring: Fysikken bag skiløb

Denne artikel er en genpublicering. Den blev bragt første gang 17. januar 2012.

Støvlerne klikker ned i bindingerne og du tager fat i stavene. Løjpen ligger foran dig, gnistrende nypræpareret.

Efter nogle kilometer har du rytmen og varmen. Du pruster dig frem i skisporet som et dampende lokomotiv.

Og kroppens maskineri følger de samme fysiske love, som lokomotivet. Skiløb er en teknisk udfoldelse af velafbalancerede kræfter. Med andre ord: Skiløb er også fysik.

Her skal vi kigge nærmere på nogle fysiske finurligheder, som udfolder sig under skiene på en skøn søndagstur.

Lad os begynde med det grundlæggende: Hvorfor i det hele taget tage ski på? Hvorfor ikke bare skøjte hen ad løjpen på skosålerne i stedet?

Det kan være et interessant problem at tænke over for den, som fortaber sig i smøringens marginaler. For det store spørgsmål er trods alt: ski eller ikke ski?

At stå på ski uden ski

Og det overraskende svar er, at hvis sneen bare er hård nok, så kan du fint klare dig uden ski. I hvert fald, hvis støvlerne er glatte på undersiden.

Friktionen, eller gnidningsmodstanden, er nemlig den samme, hvad enten du har en lille flade under dig, som med støvlerne, eller en stor flade, som med skiene.

Du kan nemt mærke dette faktum, hvis du glider frem på hård is med støvler på. Eller på skøjter, for den sags skyld. Så glider de lige så let som ski.

Sneskoeffekten, som holder dig oppe

Men sne er jo som oftest blødere. Så glider skiene bedre på grund af sneskoeffekten. Du fordeler din vægt på et større område og synker ikke ned, når du suser frem gennem nysneen.

For det at synke ned er nemlig et energitab. Det kræver energi at presse sneen ned, når den giver efter. Dette får du retur som øget friktion.

Friktionen bliver selvsagt også øget fremad, når skiene er nede og skispidserne må skyde sneen foran sig, når du tramper nye spor uden for løjperne.

Men i løjperne er sneen hård. Og jo hårdere sneen er, desto mindre vigtig er sneskoeffekten. Med moderne maskinpræparerede løjper, kan skiene laves mere smalle og kortere, end i gamle dage.

Ja tak, både og – jeg vil have det hele

Skiene ligger heller ikke fladt mod underlaget i længderetningen, som en snesko. De skyder ryg, som en gal kat. Hvad er meningen med dette spænd i skiene?

Pointen er, at skiløberen både vil have høj og lav friktion. Ja tak, begge dele, men hver anden gang.

Når skiene glider fremad i klassisk stil, skal friktionen være lav. Men når skiene sparker bagud, skal de hægte sig fast i sneen. Så skal friktionen være høj.

Og ind kommer så skiene, som passer perfekt til dig, med spænd i krumningen.

Når du fører skiene fremover, eller glider nedad, er vægten på skiene lavere. Så sørger spændingen for at midten af skiene ikke kommer tæt på sneen.

Når du sparker bagud, lægger du hele kropsvægten i frasparket. Så trykkes midten af skien ned i sneen.

Fæstesmøring, så skiene står fast, når de skal

Men hvorfor giver midten af skiene bedre fæste, end foran og bagved? Smøringen selvfølgelig. Pointen med at smøre sine ski er normalt at give et godt fæste, at øge friktionen.

Det er mere kemi end fysik, hvilken smøring der giver bedst friktion. Og måske lidt overtro, vil nogle sige. Men for det meste giver et koldt føre spidse og kantede snekrystaller.

Dermed hæfter de sig fast til smøringen som velcro. Sneen vil klumpe sig fast til midten af skien. For at undgå dette, skal smøringen være hårdere. Koldt føre kræver altså hårdere smøring.

I stedet for at smøre, kan det gå an at slibe midten af skien. Så splintrer sålen op og splinterne vil hægte sig fast i sneen og give fæste.

Sneski er i virkeligheden vandski

At smøre skiene bliver kun brugt til langrendsski. Når vi står på telemarkski eller alpint, er vi optaget af det bedst mulige glid nedad.

Men når du kaster dig ned ad stejle skrænter, står du faktisk på vandski. For det, som giver glid over sneen, er mærkeligt nok et tyndt lag af vand.

Friktionen mellem skien og sneen stjæler lidt energi. Denne energi omdannes til varme, og varmen smelter et tyndt lag af sneen.

Dette vandlag mellem skien og sneen er kun nogle tusindedele millimeter tykt. Og tykkelsen har meget at sige for gliddet.

I kulde bliver vandlaget for tyndt. Så vil snekrystallerne gnide mod skiene og skiene vil glide mere trægt.

I mildt vejr bliver vandlaget for tykt. Så vil det fungere som lim mellem sneen og skiene. Så glider de også dårligere. Limreaktionen kommer af at vand er elektrisk ladet.

Adhæsion og kohæsion

Vand består af grundstofferne hydrogen og oxygen. De er koblet sammen til vandmolekyler i en trekantform. Den ene side af trekanten har elektrisk plusladning, de andre har minusladning.

Det betyder, at plusdelen af et vandmolekyle bliver draget mod minusdelen i molekyler af andre stoffer. Vandet klæber sig til disse stoffer. Det kaldes adhæsion.

Dette kan du for eksempel se på en vinduesrude. Der hænger vanddråberne fast.

Plusdelen af et vandmolekyle kan også trækkes mod minusdelen af et andet vandmolekyle. Så klumper de sig sammen.

Det er derfor vandmolekylerne laver dråber. Dråbeformen opstår, når alle molekylerne klumper sig sammen så tæt, som de kan, ind til hinanden. Dette kaldes kohæsion.

Glider, så skiene glider, når de skal

Adhæsion og kohæsion vil sammen klumpe sammen. Adhæsionen klæber sig mellem vandet og skiene. Kohæsionen i vandet får det til at hænge sammen og holder skiene tilbage, hvis vandlaget er for tykt.

Den ideelle tykkelse på vandlaget under skiene er omkring otte tusindedele millimeter. For at få vandlaget i en passende tykkelse, bruger man glider. Det er skismøring, som gør gliddet bedst muligt.

Det lægges ikke midt under skiene, som med smøringen til fæste. Tværtimod, den lægges foran og bag på langrendsskiene, der hvor de skal glide bedst. På alpinbakken smøres den på hele skien.

I kulde skal glidesmøringen være hård og glat. Den erstatter det glid, som det for tynde vandlag ikke kan give.

I mildere vejr er glidesmøringen vandafvisende. Det skal ødelægge adhæsionen fra det for tykke vandlag.

Skrab, ikke smør!

Den russiske forsker Leonid Kuzmin mener, at glider er overvurderet. I et forskningsarbejde fra Universitetet i Luleå hævder han at kunne vise, at de nyeste produkter er et rent trick fra producenternes side for at kunne sælge mere.

Han mener, at glider kun er nødvendig til ski af træ. Plastskien er så glat og vandafvisende i sig selv, at den gør glider overflødig, ifølge Leonid Kuzmin.

I stedet fandt han ud af, at man kan behandle skiene med en stålskraber og børste dem med en stålbørste, efter man har fjernet gammel smøring og snavs fra skiløjperne.

Dermed holder skiene sig mere glatte over længere tid, hævder han.

Da den videnskabelige rapport med de revolutionerende resultater blev vist frem af Luleå Universitet i 2006, kom der trusler fra en stor skismøringsproducent, ifølge lokalavisen Kuriren.

Avisen kunne også fortælle, at universitetet havde været nødt til at vurdere deres sikkerhedstiltag, da Leonid Kuzmin skulle fremlægge sit forskningsarbejde.

Det hører også med til historien, at Leonid Kuzmin selv producerer stålskrabere og børster, som han blandt andet sælger over internettet.

På ski med skøjtestilen, ikke den klassiske

At skøjtestilen har vundet terræn frem for den klassiske diagonalgang, kan også forklares med fysik.

Hidtil har vi beskrevet friktion, som om det er en fast størrelse. Og friktionen er faktisk omtrent lige stor uanset fart over en længere strækning.

Der er dog en vigtig undtagelse: Når farten er nul!

Der findes nemlig to typer friktion; statisk friktion og kinetisk friktion. Og den statiske friktion ved ingen fart er næsten altid større end den kinetiske friktion i bevægelser.

I den klassiske diagonalstil bevæger skiene sig frem og tilbage, forbi punkter med stilstand. I disse øjeblikke hænger skien fast med større statisk friktion.

Men med skøjtestilen er skiene derimod i konstant bevægelse fremad. Dermed undgår skiløberen den statiske friktion og gennemsnitsfarten bliver højere.

Med bekymrer den klassiske turløber sig om det, når han pruster sig frem til den næste sydvendte skrænt, hvor der er ly for vinden og han kan nyde en appelsin fra lommen?

Måske ikke. For måske er han ikke så optaget af hverken at vinde sekunder eller at forstå skiløbets fysik. Måske er han mere optaget af at få en god fysik selv.

© forskning.no Oversættelse: Julie M. Ingemansson