Míra námahy, kterou při jízdě na lyžích po sněhové pokrývce pociťujeme, se udává hodnotou "koeficientu tření": https://snow.cz/…o-skluz-lyzi.

Hodnota COF v závislosti na teplotě

Úplně nejnižší hodnoty COF v rozpětí 0,02 až 0,04 se vyskytují za teploty -1,5 až - 4 stupňů Celsia a běžné vzdušné vlhkosti. Charakter sněhové pokrývky a rychlost pohybu mají rovněž svůj vliv, nicméně rozhodující či zásadní vliv má právě teplota.

Abychom mohli porozumět tomu, proč koeficient tření mezi skluznicí vyrobené z polyetylenu na straně jedné a sněhovou pokrývkou na straně druhé dosahuje svého minima právě a pouze v uvedeném teplotním rozsahu a jak je možné že COF mezi skluznicí a sněhem dosahuje tak nízkých hodnot, musíme si nejprve objasnit několik důležitých souvislostí.

Nejprve si uveďme několik příkladů koeficientů tření z běžného života, které nám pomohou lépe pochopit, že hodnota COF v rozpětí 0,02 až 0,04 je opravdu velmi nízká.

  • ocel na oceli s olejem jako lubrikantem (písty v motoru) 0,03
  • hlazený kámen na ledu (curling) 0,01
  • ocel na ledu (bruslení) 0,02 až 0,04
  • ocel na teflonu (např. kluzná pouzdra) 0,04

Jak je tedy možné, aby skluznice lyže klouzala po sněhu tak dobře, že hodnota koeficientu tření je rovna nebo se blíží odporu oceli klouzající na olejovém filmu?

Valivé tření jako klíč k nízkým hodnotám COF

Klíčem ke správné odpovědi je valivé a nikoli kluzné tření. Ano, slyšíte správně, klíčem ke správné odpovědi není ani voda, ani smíšené tření, ani QLL, jak se dlouho myslelo, ale valivé tření.

Při teplotách kolem - 1,5 a - 2 stupně Celsia se na povrchu sněhu, respektive na povrchu ledových zrnek, začnou díky velmi rychlým difúzním procesům vytvářet kulovité „nano-částice“ různého tvaru, velikosti a tvrdosti. Tyto kulovité nano-částečky představují energeticky velmi výhodné tvary, které se mohou snadno vytvářet z ledu s hexagonální mřížkou a pokrývají pevný povrch ledu.

Tyto kulovité nano-clustery nebo nano-částice mají optimální velikost a tvrdost pro přechod od kluzného tření k valivému tření pouze a jenom v teplotním rozpětí mezi - 1,5 až - 4 stupni Celsia. Za podmínek, kdy je kluzné tření, nahrazováno valivým třením, tedy kdy skluznice lyže začne „klouzat“ po odvalujících se nano-částečkách ledu, začne prudce klast třecí odpor, a tím také koeficient tření.

Přechod od kluzného tření k valivému tření je samozřejmě pozvolný a oba principy tření se mohou při jízdě na lyžích uplatňovat současně. Valivé tření bývá na sněhu ale výrazně nižší než tření kluzné, a to přibližně s faktorem 10.

Jakmile tedy začne pod skluznicí lyže převládat valivé tření, dostavuje se pocit, jako by lyže jely skoro samy. Za těchto podmínek může koeficient tření mezi skluznicí a sněhem klesat k hodnotám 0,02.

Při teplotách pod - 4 stupně Celsia se však ledové nano-clustery začnou zmenšovat a současně se začne zvyšovat jejich tvrdost. S klesající velikostí ledových nano-částic a s rostoucí tvrdostí těchto útvarů se začne tření opět zvyšovat, valivé tření začne být nahrazováno suchým kluzným třením. S klesající velikostí a rostoucí tvrdostí nano-clusterů se začíná dostavovat pocit jízdy po písku. S úbytkem valivého tření a nárůstem suchého tření opět prudce roste COF, a to až k hodnotám 0,1.

Při teplotách nad - 1,5 stupňů Celsia již není v systému dostatek energie na to, aby se bleskurychlými difúzními procesy vytvářely kulovité ledové nano-částice na povrchu pevného ledu a povrch ledu pokrývá tekutý vodní film. S tloušťkou vodního filmu pak prudce narůstá kontaktní plocha a mezimolekulární vazby mezi oběma povrchy, v důsledku čehož opět prudce narůstá tření.


Schématické znázornění toho, jak z hexagonální mřížky vznikají kulovité nano-clustery, in P. Buetzer, Rollreibung auf der Oberflaeche von Eis und Schnee, 2023


Závislost COF na teplotě a rychlosti, in P. Buetzer, Rollreibung auf der Oberflaeche von Eis und Schnee, 2023

Všimněte si, že u teplot - 7 stupňů Celsia a nižších dochází se železnou pravidelností k nárůstu tření s narůstající rychlostí, což je jasná známka suchého tření. Navíc čím nižší teplota, tím strmější nárůst COF (COF mezi PE a pískem je přibližně 0,2).

Naopak u teplot v rozpětí - 1,5 až - 4 stupně Celsia tření s narůstající rychlostí naopak klesá, což je jasný odkaz na valivé tření (COF mezi ocelovým kolem a kolejnicí je přibližně 0,002, proto může jedna lokomotiva táhnout i 100 vagónů).

Lyže kloužou nejlépe při teplotách lehce pod nulou

Optimální skluz lyží na sněhové pokrývce se vyskytuje v teplotním rozmezí - 1,5 až - 4 stupně Celsia díky valivému tření mezi povrchem lyže a kulovitými nano-clustery na povrchu ledových či sněhových zrn.