Как заставить сани ехать быстрее, согласно науке

Значит, вам нужна скорость.Следующийскорость. Вы уже выбрали крутой склон и оптимизировали свою форму. Может быть, на вас обтягивающий спортивный костюм из лайкры для соревнований по санному спорту и вы обрили голову. Может ты побрилсявсе- когда вы боретесь с сопротивлением воздуха, вы не можете ничего оставлять на волю случая.

Предположим, вы вычеркнули все это из своего списка дел и теперь хотите уменьшить трение между санями и землей. Другими словами, вы, Кларк Грисволд, осваиваете этого бездельника, и вам нужно немного твердой смазки для санок.

Может ли наука помочь вам двигаться быстрее? Да, оно может.

Трибология и капиллярное сопротивление

Наука о трении и смазке - так называемая трибология - в значительной степени сосредоточена на снеге и льду: исследование ценится исследователями лавин, производителями автомобилей и шин, а также американской индустрией зимних видов спорта с оборотом в 20 миллиардов долларов. Консенсус? Вам необходимо использовать свойства «смазки талой водой».

Когда санки спускаются с холма, они едут не по чистому снегу - они скользят по микроскопически тонкому слою талой воды. Эта вода, создаваемая трением движущихся салазок, является вашей основной смазкой. Согласно исследователям [PDF] из лыжной компании Swix, идеальный слой талой воды имеет толщину 50 молекул и находится при температуре около 32 ° F. Все, что теплее, будет производить излишки талой воды, которая может прилипнуть к вашим санкам. Этот процесс, называемый капиллярным сопротивлением, снижает скорость.

Сильно холодный снег не лучше. Когда ртуть опускается ниже 14 ° F, трудно найти значительный слой смазывающей талой воды. «Когда так холодно, слой жидкости не образуется без чрезмерного трения», - говорит Кеннет Либбрехт, физик Калифорнийского технологического института и специалист по снежинкам (который также работал консультантом по снежинкам в Disney'sЗамороженный), - сообщает Trini Radio. В этих условиях слой талой воды может быть такой же тонкой, как одна молекула H2O, из-за чего ваш снегоход будет царапать неровности или неровности утрамбованного снега. С таким же успехом вы могли бы попытаться спуститься с песчаной дюны [PDF].

Если вы не Зимний Колдун или правительство Китая, вы, вероятно, не можете контролировать погоду, но вы можете контролировать свою подготовку к ней. Исследования показывают, что когда влажно и тепло, могут быть полезны санки с грубым дном и неглубоким рисунком спереди назад. Рисунок обеспечивает меньшую площадь поверхности для захвата молекул воды, что снижает сопротивление капилляров.

При более низких температурах, когда снежинки становятся более резкими и твердыми, важно сделать дно саней более твердым, чтобы вы могли преодолевать неровности, которые в противном случае могли бы зацепиться за ваш тобогган и замедлить вас. Покройте днище снегохода твердым и гладким веществом, например, синтетическим углеводородным лыжным воском.

Но независимо от температуры, лучший способ скользить по слою талой воды - смазать дно снегохода гидрофобными материалами, такими как жир, масло и воск, которые буквально «боятся воды». Посоветовавшись со специалистами, я протестировал несколько гидрофобных смазок - и все они нашли у себя дома.

Один человек, одна салазка и шесть смазок

Наш эксперимент проводился на общественном холме для катания на санях в Вудстоке, штат Нью-Йорк, у подножия гор Катскилл. Термометр показал 29 ° F - устойчиво в не слишком жаркой, не слишком холодной зоне Златовласки с талой водой - и мой рюкзак был набит повседневными гидрофобными материалами: восковая свеча за 0,98 доллара от Walmart, WD-40, кулинарный спрей PAM, воск из твердой древесины, универсальная приправа Adobo и жир для бекона.

Моя машина? Пластиковые сине-зеленые сани за 11 долларов, явно предназначенные для перевозки маленьких детей.

Склон здесь был пологим, но снега не было. Он был старым, твердым и твердым. Позже я спросил Либбрехта, который классифицировал 35 различных типов снежинок («большинство из них похожи на песок, просто маленькие шарики») - насколько такая поверхность способствует хорошему катанию на санях. Он объяснил, что форма снежинок быстро меняется при ударе о землю, становясь более сферической и гладкой, поскольку они уплотняются ветром, солнцем и другими санями. Другими словами: как и люди, снег с годами становится круглее.

Это отличные новости для скорости, но не для рулевого управления. Во время моего первого сухого теста - моего контроля - моя средняя скорость составляла примерно 12,6 миль в час. Спускаясь вниз, я сделал три пируэта и хотя бы раз звал на помощь.

Восковая свеча

iStock

Моя скорость 12,6 миль в час была далека от мирового рекорда для самого быстрого бега на санях (83,5 миль в час), поэтому я обратился к воске.

Снежные гонщики используют воск уже более века. До 1940-х годов люди пробовали использовать самые разные натуральные вещества, чтобы сделать дно саней гладким, включая пчелиный воск, китовый жир, сосновую смолу и жир. К середине века саночники натирали сани вощеной бумагой или удобной свечой. Свечи содержат парафиновый воск, смесь насыщенных углеводородов с прямой цепью, содержащих от 20 до 40 атомов углерода.

пират зомби мочится ви герман шоу

По книгеФизика лыжного спорта, Дэвид Линд и Скотт П. Сандерс, углеводороды с прямой цепью - лучший способ. Эти молекулы ориентируются в параллельных структурах и имеют прочные межмолекулярные связи, которые удерживают воск твердым при низких температурах, что обеспечивает лучшее скольжение. Молекулы также неполярны и плохо взаимодействуют с полярными молекулами, такими как вода. (Однако более крупные углеводороды с короткими цепями, отходящими от первичной цепи, более мягкие и «более подходят для… парафинов, предназначенных для увеличения тяги или захвата», - пишут Линд и Сандерс.)

Парафин также относительно твердый и должен хорошо справляться с ездой по неровностям снега, если снег не очень холодный. И это действительно так: в течение двух минут я втирал холодную свечу в основание санок круговыми движениями. Как только я попал в сани, я ехал. Я разогнался примерно до 17,98 миль в час.

WD-40

Согласно исчерпывающему списку, WD-40 имеет более 2000 применений: он может удалять жевательную резинку с сидений школьного автобуса, смазывать колеса футляров для туб и даже не давать щенкам жевать телефонные линии. Также в списке: «Смазывает санки и тобогганы» [PDF].

Это не удивительно:WDозначает «вытеснение воды». И хотя формула технически секретна, сыщикиПРОВОДНОЙиспользовала газовую хроматографию в 2009 году, чтобы раскрыть внутреннюю черную магию. Их вывод: алканы. Алканы - это водоотталкивающие углеводороды, которые отказываются связываться с водородом или кислородом. Другими словами, именно то, что мне нужно под сани.

Это сработало: после ядовитого 10-секундного распыления WD-40 показал то же время, что и воск свечи. Но, уф, моя поездка пахла нечестиво. Более того, позже я узнал, что некоторые алканы являются ключом к способности немецких тараканов производить феромоны, предназначенные для привлечения партнеров. Так что я ожидал этого с нетерпением.

PAM Оригинальный кулинарный спрей без пригорания

Если бы я был ученым, я бы тестировал все эти материалы с целью определения их коэффициента трения - цифры, которая количественно определяет величину трения между двумя поверхностями. Это может быть выражено следующей формулой, которая, соответственно, умирает, чтобы произнести слововеселье.

Люси Кинтанилья, Trini Radio

Вы можете измерить кинетическое трение материалов с помощью прибора, называемого осциллографом. К сожалению, я работаю в медиа-компании. Осциллографов у нас нет.

Однако мне жаль, что у меня не было такого для этой части эксперимента. Потому что, хотя коэффициент трения для этого снега, царапающего кожу, был определенно низким, я не могу говорить о своих санях, смазанных маслом канолы. У него должен был быть низкий коэффициент трения, но спрей «No-Stick» соответствовал своему названию во всех неправильных отношениях - не прилипал к днищу моих салазок. Он исчез почти сразу, что сделало мое время PAM таким же медленным, как и мой контрольный прогон.

Воск пасты для твердых пород дерева

Восковая паста - смазка чемпионов. Достаточно спросить Тома Кокса, бывшего чемпиона Национального чемпионата США по тобоггану, который ежегодно проводится в Камдене, штат Мэн. Кокс также является его главным инспектором по тобогганам, следя за тем, чтобы 400 деревянных саней, которые участвуют в гонках каждый год, соответствовали требованиям соревнований.

Он видел всевозможные вещества, намазанные на днище саней, от воска для бега по пересеченной местности до лимонного Pledge. «Все делают это по-разному, и я не могу сказать вам, в чем секрет», - говорит Кокс Trini Radio. «Я выиграл все соревнования в 2003 году, и мы использовали восковую пасту, воск для деревянных полов, но я не знаю, является ли это ответом, потому что с тех пор я не выигрывал».

Кокс может застрять в гонке соревнований, но он проверенный чемпион, и я доверяю его методам. Тем не менее, я быстро понял, что восковую пасту лучше смазывать по дереву, а не по пластику. Руками размазываю мягкий воск; оно было комковатым и неровным, как высохшее арахисовое масло. Я привлек к себе насмешливые взгляды прохожих, которые, возможно, подумали, что я съедаю бутерброд, разложенный на моих санях. О, и он оставил коренастый коричневый след слизи вниз по склону.

Но кого это волнует? Мои сани почти достигли скорости 20 миль в час.

В таких условиях, когда температура тает снега, более мягкий воск, такой как паста, может быть идеальным. Коэффициент для вощеной древесины на сухом снегу очень низкий: 0,04. (Чем ближе число к нулю, тем оно более скользкое. Для сравнения, коэффициент льда против льда составляет около 0,03.) Я могу только представить, насколько низким может быть это число для пластиковых детских санок.

Универсальная приправа Adobo

Еще один особый ингредиент, который также появился на днище санок на Национальном чемпионате по тобоггану? Луковый порошок.

Некоторые водители санок думают, что нанесение мелкого порошка похоже на добавление крошечных шарикоподшипников на дно салазок. По правде говоря, слегка зернистое дно может помочь уменьшить сопротивление капилляров в теплых условиях, не давая липкой талой воде мешать поездке. Вы можете увидеть, как это происходит с супергидрофобными материалами, такими как листья лотоса, которые состоят из тысяч крошечных микроскопических столбов. Эти приподнятые неровности уменьшают точки соприкосновения листа с каплей воды, гарантируя, что вода просто скатится. Фактически, десятки производителей лыжных восков пытаются создать воски, имитирующие наноструктуру листьев лотоса. Я надеялся, что смогу достичь этого принципа с луковым порошком.

Но когда я не смог найти луковый порошок на кухне, я обратился к приправе Адобо, которая также могла быть приправой WD-40. Курица. Стейк. Стейк из курицы. Вы можете посыпать этим пикси-пылью что угодно, и это простоработает. Адобо может не содержать лукового порошка, но если он может обмануть ничего не подозревающих людей, заставив их поверить в то, что я талантливый повар, возможно, он мог бы сотворить похожее волшебство на мои способности кататься на санях. Я смочил днище саней струей воды и щедро приправил пластиковую колесницу.

Это провалилось. Какой бы ни была причина, после трех безуспешных попыток спуститься с холма «Адобо» оставил после себя светящийся след из желтого снега.

Беконная смазка

iStock

Перед Суперкубком 2018 года полиция Филадельфии не позволяла бешеным фанатам Eagles превратить местные уличные фонари в бары для взрослых обезьян, протерев столбы городских коммуникаций экологически чистой гидравлической жидкостью Bio-Bottle Jack Hydraulic Fluid. Я очень хотел нанести эту легендарную слизь на свои снегоходы, но когда я позвонил местным поставщикам и попросил их купить, все они сказали мне, что доставка займет несколько недель. Я подозревал, что город Филадельфия сожрал запасы на восточном побережье.

Поэтому я обратился к игре NFC Championship Game, когда полиция Филадельфии намазала Криско на столбы электросети. К счастью, в моем холодильнике была альтернатива получше: беконный жир. Любой, кто пытался отмыть руки от топленого свиного жира, знает, что этоненавидитвода. Действительно, жир растекся по моим салазкам, как топленое масло. Он был мягким и воскообразным, и его запах смешивался со всеми другими ароматами на моих руках - ванилью, маслом канолы, аэрозольным пропеллентом, потенциальным феромоном тараканов, пастой воска, приправой для курицы - чтобы создать миазму, которую я не в силах описать. Возможно, я облизывал пальцы, а может и нет. Возможно, я пожалел об этом, а может и не пожалел.

Примерно в это время мать и маленький ребенок пошли к холму. Я помахал им. Они остановились и уставились на меня, этого взлохмаченного взрослого человека, сидящего в одиночестве на холме из коричневого и желтого снега, в окружении выброшенных бутылок WD-40 и универсальной приправы, энергично вытирая странный жир на дне люминесцентных саней, построенных для маленькие дети. Мать схватила ребенка за руку и поспешила в противоположном направлении.

В любом случае! Смазка Бэкона разгонялась до 17 миль в час.

Возможно, я нанес слишком густую смазку. По словам Линда и Сандерса, толщина нанесения бегового воска должна составлять от 0,005 до 0,02 миллиметра: «Если бы эти окончательные слои воска были толще, они с большей вероятностью собирали бы грязь с поверхности снега, которая, как мы полагаем, видел, увеличило бы трение ».

Другими словами, смазки бывает слишком много. Когда я полировал жир бекона тканевым полотенцем, я достиг скорости 19 миль в час.

Советы для вашей поездки

Мои эксперименты на санях не были строго научными. Их не контролировали должным образом. Мои сани никогда не спускались по одному и тому же маршруту. Количество мешающих переменных, которые могли исказить каждый результат, в общем, мешает.

Но результаты повторяют совет экспертов: если вы можете, катайтесь на санях при температуре около 32 ° F, когда талая вода имеет оптимальную толщину. Избегайте соблазна свежевыпавшего снега и подождите, пока эти острые снежинки превратятся в гладкую дорожку для катания на санях. Если у вас деревянные сани, отшлифуйте их. (По словам Кокса, «те, которые идут быстрее всех [на Национальном чемпионате по тобоггану], шлифуются перед нанесением на них воска, шлифуются очень тонкой бумагой, может быть, зернистостью 1500».) Если можете, выберите внутреннюю часть. трубка над пластиковыми салазками. В 2009 годуЖурнал травмисследование под названием «Катание на санях: как быстро они могут ехать?» исследователи обнаружили, что внутренние камеры перемещаются в среднем на 2 мили в час быстрее, чем пластиковые.

Если вам необходимо использовать пластик, выберите полиэтилен. Это гидрофобно и дешево. По словам гляциолога Сэмюэля Колбека, полиэтилен «твердый, очень эластичный, его можно сглаживать и наносить на него различные рисунки, можно сделать пористым, легко покрыть воском, он плохо прилипает ко льду и имеет коэффициент трения. ], на который не сильно влияет поверхностное загрязнение »[PDF]. Наконец, покройте снегоход гидрофобным воском: фторуглеродный лыжный воск является оптимальным, но любители рукоделия всегда могут держать свечу в кармане.

Также принесите Адобо. Это не сделает ваши сани быстрее, но оставит за собой след из ярко-желтого снега, гарантирующий, что у вас будет холм.всесамому себе.

Чтобы узнать больше о физике зимних видов спорта, Trini Radio рекомендует замечательную и авторитетную книгу Дэвида Линда и Скотта П. Сандерса.Физика лыжного спорта.