Teorie třecího tepla se nejvíce uplatňovala v oblasti tzv. smíšeného režimu tření, tedy tam, kde jsou celkové koeficienty tření úplně nejnižší, tedy přibližně v rozpětí teplot vzduchu -2 až -5 stupňů C.

Zastánci teorie třecího tepla se ale snažili její princip „naroubovat“ i na hydrodynamický režim tření, tedy na podmínky, kde se mezi povrchem sněhu a povrchem lyže nachází vodní film, a také na hraniční režim tření, tedy podmínky, kde se sněhová pokrývka a skluznice lyže dotýkají jen v extrémně malých ploškách či bodech, a to v oblasti největších „asperit“ neboli nerovností obou povrchů.

Zatímco v předchozím článku Teorie skluzu (2): třecí teplo aneb proč lyže na vodním filmu nejedou jsme se věnovali teorii třecího tepla aplikované na hydrodynamický, tedy mokrý režim tření, dnes se trochu blíže a lépe podíváme na režim hraniční, tedy suchý a skřípavý.

Proč teorie třecího tepla v hraničním režimu tření nefunguje

Teorie třecího tepla postuluje pro hraniční režim tření následující teorii: Kontaktní body či plošky mezi povrchem sněhu a skluznice jsou extrémně malé, odhaduje se, že jejich celková plocha představuje asi 1 % z celkové plochy skluznice, pro běžecké lyže o délce 185 cm a šířce 4,5 cm tedy cca 9 cm^^ 2^^ pro jednu lyži. Dle teorie třecího tepla působí v těchto kontaktních místech enormní tlak, a to na základě fyzikálního principu, že zatížení dělené plochou představuje tlak. Při konstantním zatížení (hmotnost lyžaře + odrazová síla) a poklesu plochy, kde zatížení působí, roste tlak, tedy tlak, který skluznice lyže vyvíjí na sněhovou pokrývku.

Potud se jeví vše jako jasné a průkazné. Teorie třecího tepla ale dále postuluje, že tento extrémní tlak způsobuje v první fázi extrémní tření, které ale následně v důsledku natavování vrcholků asperit a v důsledku tvorby vodního filmu mezi povrchem sněhu a povrchem skluznice klesá, jelikož vodní film má díky svým „dobrým“ lubrikačním vlastnostem tření naopak snižovat a zlepšovat tak skluz.

My samozřejmě víme, že tato část teorie třecího tepla patří více do kategorie „přání jako otec myšlenky“. Víme totiž, že:

  • třecí teplo zvyšuje teplotu v kontaktních bodech v řádek desetin až max. několika jednotek stupňů, tedy při teplotě -15 stupňů C, může být při vyšších rychlostech v kontaktních bodech teplota -13 nebo -12 stupňů C, tedy teploty, které vodu v kapalném skupenství vylučují
  • voda je velmi špatný lubrikant a přítomnost vody v kontaktních místech by pravděpodobně vedla k dalšímu zhoršení skluzu
  • QLL na povrchu sněhových zrn a krystalů má extrémně dobré skluzné vlastnosti, ale jeho tloušťka je v jiném řádu, než ve kterém se odehrává skluz za těchto podmínek, QLL se vyskytuje v nano oblasti, zatímco skluz mezi sněhem a lyží se odehrává za podmínek hraničního režimu tření v mikro oblasti

Teorie abraze předpokládá lámání sněhových zrn při skluzu

Zlepšení skluzu v podmínkách tzv. hraničního režimu tření tedy z našeho pohledu mnohem lépe vysvětluje teorie abraze, kterou vytvořil J. H. Lever a jeho tým.

Teorie abraze sněhových krystalů postuluje, že při teplotách hluboko pod bodem mrazu se zvyšuje tvrdost, ale také křehkost jednotlivých sněhových krystalů či zrn. V místě kontaktních bodů mezi sněhovou pokrývkou a povrchem skluznice působí velký tlak a velké tření. Dle teorie abraze však nedochází k natavování mikroskopických kontaktních míst a k produkci vodního filmu, nýbrž k odlamování drobných částí křehkých sněhových krystalů či zrn, nebo k vylamování celých zrn ze sněhové mřížky.

Pokud dochází k odlamování drobných částí sněhových krystalů vlivem tlaku a tření, vyplňují tyto odlomené části sněhových krystalů porézní oblasti sněhové pokrývky. Odlomené části sněhových krystalů, které vyplnily porézní oblasti sněhové pokrývky, jsou extrémně rychle integrovány bleskurychlými sitračními procesy, a to v řádu zlomků vteřin. Jakmile jsou integrovány do sněhové pokrývky, dochází k jejich uhlazování dále probíhajícím skluzem a třením.

Pokud dochází k vylamování celých zrn ze sněhové mřížky, umožňují vylomená sněhová zrnka valivé tření mezi oběma povrchy, a to do okamžiku, než dojde k jejich zatlačení do porézního povrchu sněhové pokrývky. Jakmile jsou vylomená sněhová zrna zatlačena do porézního povrchu, následuje již proces odlamování.

Je přirozené, že oba procesy – jak proces odlamování drobných částí ze sněhových zrn, ukládání odlomených částí do porézních oblastí sněhové pokrývky, rychlá integrace a následné uhlazování, tak proces vylamování celých zrn, valivého tření s následným zamáčknutím do porézní oblasti sněhové pokrývky – probíhají paralelně. Předpokládá se, že čím nižší jsou teploty pod bodem mrazu a čím sušší, a tedy tvrdší a křehčí sníh je, tím více narůstá podíl vylamování celých krystalů či zrn.

Pokud dochází k vylamování jemnějších či hrubších zrn, které jsou již méně či více zaoblená, dochází bezprostředně k valivému tření. Pokud však dochází k vylamování málo transformovaných zrn až krystalů, pak je jízda na lyžích extrémně náročná. Každý z nás si jistě vybaví skřípající prašan hluboko pod nulou… I jízda na písku by byla možná pohodlnější.

Co z toho plyne pro skluz na studeném a suchém sněhu

Za studených a suchých podmínek je kontaktní plocha mezi lyží a sněhem velmi malá a působí zde velký tlak. Tento tlak odlamuje části krystalů a zrn, a to zpravidla v přední části lyže (u běžek) a ve středové části lyže (u sjezdovek). Po odlomení jsou odlomené částečky velmi rychle integrovány do „porézních“ částí sněhové pokrývky a dochází tak ke „zplošťování“ či „urovnávání“ stopy (např. ledovatění klasické běžecké stopy). V uhlazené stopě pak následně klesá tření.