Fysikk med fraspark

Du trenger ikke å ha klisterhjerne for å få grep om skiløypas fysikk. Og selv fysikknerder trenger å komme på gli, med fraspark på ski.

Publisert
 (Foto: (Illustrasjon: Jay Matternes, Wikimedia Commons))
(Foto: (Illustrasjon: Jay Matternes, Wikimedia Commons))

Støvlene klikker ned i bindingene, og du trer på deg stavene. Løypa ligger foran deg, gnistrende nypreppet.

Etter noen kilometer har du rytmen og varmen. Du pruster deg fram over skisporene som et dampende lokomotiv.

Og kroppens maskineri følger de samme fysiske lover som lokomotivet. Skiløpingen en teknisk utfoldelse av vel avbalanserte krefter. Med andre ord: Skiløping er også fysikk.

Her skal vi kikke nærmere på noen fysiske finurligheter som utfolder seg under skisålen på en fin søndagstur.

La oss begynne med det grunnleggende: Hvorfor i det hele tatt ta på seg ski? Hvorfor ikke heller skøyte seg løypelangs på bare støvlesålen?

Det kan være et greit problem å fundere over, for den som fortaper seg i smørningens marginaler. For det store spørsmålet er tross alt: ski eller ikke ski?

Fint uten ski

Og det overraskende svaret er at hvis snøen bare er hard nok, kan du klare deg fint uten skiene. I alle fall hvis støvlene er glatte under.

Friksjonen, eller glidemotstanden, er nemlig den samme enten du har en liten flate under deg, som på støvlene, eller en stor flate, som på skiene.

Du kan fint merke denne sannheten hvis du sklir av gårde med hard is under støvlene. Eller på skøyter, for den saks skyld. Da glir de like lett som ski.

 (Illustrasjonsfoto: www.colourbox.no)
(Illustrasjonsfoto: www.colourbox.no)

Trugeeffekten

Men snø er jo oftest mykere. Da glir skiene bedre, på grunn av trugeeffekten. Du fordeler vekten din på et større område, og synker ikke nedi der du visler fram gjennom nysnøen.

For det å synke nedi, er nemlig et energitap. Det krever energi å presse snøen nedover når den gir etter. Dette får du igjen som økt friksjon.

Friksjonen øker selvsagt også framlengs, når skiene alt er nedi og skituppene må skyve snøen foran seg når du tramper nye spor utenom løypene.

Men i løypene er snøen hard. Og jo hardere snøen er, desto mindre viktig er trugeeffekten. Med moderne maskinpreparerte løyper kan skiene lages smalere og kortere enn i gamle dager.

Det røde feltet viser løssnøen som skiløperen trykker sammen. Sammenpressingen krever energi, som tas fra farten til skiløperen. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no, etter boka The Physics of Skiing))
Det røde feltet viser løssnøen som skiløperen trykker sammen. Sammenpressingen krever energi, som tas fra farten til skiløperen. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no, etter boka The Physics of Skiing))

Ja takk, både og

Skiene ligger heller ikke flatt mot underlaget i lengderetningen, som en truge. De skyter rygg, som ei sinna katte. Hva er hensikten med dette spennet i skiene?

Poenget er at skiløperen vil ha både høy og lav friksjon. Ja takk, begge deler, men annenhver gang.

Når skia glir framover i klassisk gange, skal friksjonen være lav. Men når skia sparker bakover, skal den ta tak i snøen. Da må friksjonen være høy.

Inn kommer skia med spenn i krumningen, som er perfekt tilpasset deg.

Når du fører skia framover, eller sklir i nedoverbakke, er vekten på skia lavere. Da sørger spennet for at midten av skia ikke kommer nær snøen.

Når du sparker bakover, legger du hele kroppsvekten i frasparket. Da trykkes midten av skia nedi snøen.

Festesmøring

Men hvorfor gir midten av skia bedre feste enn foran og bak? Smøringen, selvsagt. Poenget med vanlig skismøring er å gi godt feste, å øke friksjonen.

Hvilken smøring som gir best friksjon, er mer kjemi enn fysikk. Og kanskje litt overtro, vil noen si. Men stort sett vil et kaldt føre gi spisse og kantete snøkrystaller.

Dermed hekter de seg fast til smøringen som en borrelås. Snøen vil kladde seg til midten av skien. For å unngå dette, må smøringen være hardere. Kaldt føre krever altså hardere smøring.

Istedenfor å smøre, går det an å slipe midten av skien. Dette kalles å rubbe skien. Da blir sålen fliset opp, og flisene vil hekte seg fast i snøen og gi grep.

Snøski er vannski

Nederst vises snøkornene og skien ved forskjellige tykkelser på vannskiktet. Kurvene over viser forskjellige bidrag til friksjonen. I bakgrunnen over: Vanndråper på en rute viser både adhesjon (dråpene henger på glasset) og kohesjon (vannet danner dråper som henger sammen). (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no, etter boka The Physics of Skiing))
Nederst vises snøkornene og skien ved forskjellige tykkelser på vannskiktet. Kurvene over viser forskjellige bidrag til friksjonen. I bakgrunnen over: Vanndråper på en rute viser både adhesjon (dråpene henger på glasset) og kohesjon (vannet danner dråper som henger sammen). (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no, etter boka The Physics of Skiing))

Festesmøring blir bare brukt på langrennsski. Står vi alpint eller på telemarkski, er vi opptatt av best mulig gli i utforbakkene.

Men når du kaster deg utfor bratthengene, står du faktisk på sett og vis på vannski. For det som gir gli over snøen, er merkelig nok et tynt lag med vann.

Friksjonen mellom skien og snøen stjeler litt energi. Den energien omdannes til varme. Varmen smelter et tynt lag av snøen.

Dette vannlaget mellom skien og snøen er bare noen tusendels millimeter tykt. Og tykkelsen har mye å si for glien.

I kulda blir vannlaget for tynt. Da vil snøkrystallene skrubbe mot skiene. De vil gli tråere.

I mildvær blir vannlaget for tykt. Da vil det fungere som et lim mellom snøen og skiene. Da vil de også gli dårligere. Limvirkningen kommer av at vann er elektrisk ladet.

Adhesjon og kohesjon

To vannmolekyler. Pluss-ladningene i hydrogenet trekker på minus-ladningen i oksygenet. Dette kalles en hydrogenbinding, og gir både adhesjon og kohesjon i vannet. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))
To vannmolekyler. Pluss-ladningene i hydrogenet trekker på minus-ladningen i oksygenet. Dette kalles en hydrogenbinding, og gir både adhesjon og kohesjon i vannet. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))

Vann er laget av grunnstoffene hydrogen og oksygen. De er koblet sammen til vannmolekyler i en trekantform. Den ene siden av trekanten har elektrisk plussladning, den andre minusladning.

Det betyr at plussdelen av ett vannmolekyl vil dras mot minusdelen i molekyler av andre stoffer. Vannet kleber seg til disse stoffene. Det kalles adhesjon.

Dette kan du for eksempel se på en vindusrute. Der henger vanndråpene fast.

Plussdelen av ett vannmolekyl kan også trekkes mot minusdelen av et annet vannmolekyl. Da klumper de seg sammen.

Det er derfor vannmolekylene lager dråper. Dråpeformen oppstår når alle molekylene klumper seg sammen så tett de kan inntil hverandre. Dette kalles kohesjon.

Glidesmøring

Adhesjon og kohesjon vil sammen kladde det til for deg. Adhesjonen kleber mellom vannet og skia. Kohesjonen i vannet får det til å henge sammen og holde skia igjen, hvis vannlaget er for tykt.

Den ideelle tykkelsen på vannlaget under skia er omkring åtte tusendels millimeter. For å få vannlaget passe tykt, brukes glider. Det er skismøring som skal gjøre glien best mulig.

Den legges ikke midt under skia, slik som festesmøringen. Tvert imot, den legges foran og bak på langrennsskia, der de skal gli best. I alpinbakken legges den under hele skia.

Glidesmørning brukes oftest i alpinbakken. (Illustrasjonsfoto: www.colourbox.no)
Glidesmørning brukes oftest i alpinbakken. (Illustrasjonsfoto: www.colourbox.no)

I kulde skal glidesmøringen være hard og glatt. Den erstatter den glien som det for tynne vannlaget ikke kan gi.

I mildvær er glidesmøringen vannavstøtende. Den skal ødelegge adhesjonen fra det for tykke vannlaget.

Skrap, ikke smør!

Den russiske forskeren Leonid Kuzmin mener at glidesmøring er oppskrytt. I et forskningsarbeide fra Universitetet i Luleå hevder han å kunne vise at de nyeste produktene er en ren gimmick, for å selge.

Han mener at glidesmøring bare var nødvendig med treski. Plastskien er så glatt og vannavstøtende i seg selv at den gjør glidesmøring overflødig, ifølge Kuzmin.

Isteden fant han ut at å behandle skiene med en stålskrape og børste dem med en stålbørste etterpå fjerner gammel festesmøring og skitt fra skiløypa.

Dermed holder skiene seg glattere over lengre tid, hevder han.

Da den vitenskapelige rapporten med de revolusjonerende resultatene skulle legges fram ved Luleå universitet i 2006, kom det inn trusler fra en stor skismøringsprodusent, ifølge lokalavisen Kuriren.

Avisa kunne også fortelle universitetet måtte vurdere sikkerhetstiltak når Kuzmin skulle legger fram forskningsarbeidet sitt.

Det hører også med til historien at Kuzmin produserer sine egne stålskraper og børster, som han blant annet selger over internett.

Skøyting, ikke klassisk

At skøyting har vunnet terreng framfor klassisk diagonalgang, kan også forklares med fysikk.

Hittil har vi beskrevet friksjon som om det er en, fast størrelse. Og friksjonen er faktisk omtrent like stor uansett fart, over et stort område.

Det vil si, med ett viktig unntak: Når farten er null.

Det finnes nemlig to typer friksjon, statisk friksjon og kinetisk friksjon. Og den statiske friksjonen ved null fart er nesten alltid større enn den kinetiske friksjonen i bevegelse.

Den klassiske diagonalløperen lar skiene pendle fram og tilbake, forbi punkter med stillstand. I disse øyeblikkene henger skien igjen med større statisk friksjon.

Ved skøyting er derimot skiene i konstant bevegelse framover. Dermed unngår skiløperen den statiske friksjonen, og gjennomsnittsfarten blir høyere.

 (Foto: Arnfinn Christensen)
(Foto: Arnfinn Christensen)

Men bryr den klassiske turgåeren seg om det, der han pruster seg fram til neste sørskrent med ly for vinden og appelsin fra sekken?

Kanskje ikke. For kanskje er han ikke så opptatt av verken å vinne sekunder eller forstå skigåingens fysikk. Kanskje er han mer opptatt av å få en god fysikk selv.

Lenker:

Amerikansk nettside om ski, smørning og fysikk

Mer om fysikken ved svinger på ski

Mer om friksjon, fra nettstedet Hyperphysics

Om adhesjon og kohesjon under ski

Nettsidene til Leonid Kuzmin, med lenker til hans forskning

Thomas Losnegard fra Norges Idrettshøgskole blogger om sine erfaringer med Kuzmins stålskrape på forskning.no