Article

Com fer que un trineu vagi més ràpid, segons Science

top-leaderboard-limit '>

Per tant, necessiteu velocitat.Pròximvelocitat. Ja heu escollit un fort pendent i heu racionalitzat el formulari. Potser porteu un vestit de competició Lycra luge i heu rapat el cap. Potser us heu rapattot—Quan lluites contra la resistència de l'aire, no pots deixar res a l'atzar.

Suposem que heu ratllat tot això de la vostra llista de tasques i que ara voleu reduir la fricció entre el trineu i el terra. En altres paraules, sou Clark Griswolding aquest xuclador i necessiteu una lubricació sòlida per a tobogan.

La ciència us pot ajudar a anar més de pressa? Sí, pot.

Tribologia i arrossegament capil·lar

La ciència de la fricció i la lubricació (el que s’anomena tribologia) s’ha centrat molt en la neu i el gel: la investigació valora investigadors d’allaus, fabricants d’automòbils i pneumàtics i la indústria nord-americana d’esports d’hivern de 20.000 milions de dòlars. El consens? Cal aprofitar les propietats de la 'lubricació per a aigua fosa'.

Quan els sledders fan un zoom cap avall d’un turó, no viatgen damunt de la neu pura, sinó que descobreixen una capa microscòpicament fina d’aigua fosa. Aquesta aigua, creada per la fricció del trineu en moviment, és el vostre lubricant principal. Segons els investigadors [PDF] de l’empresa d’esquí Swix, la capa d’aigua fosa ideal té un gruix de 50 molècules i es produeix a uns 32 ° F. Qualsevol cosa més càlida produirà un excés d’aigua fosa que pugui aferrar-se al trineu. Aquest procés, anomenat arrossegament capil·lar, disminueix les velocitats.

La neu molt freda no és millor. Quan el mercuri cau per sota dels 14 ° F, és difícil trobar una capa significativa d’aigua fosa lubricant. 'Quan fa tan fred, la capa líquida no es formarà sense una fricció excessiva', va dir Kenneth Libbrecht, físic de Caltech i especialista en flocs de neu (que també va ser consultor de flocs de neu a Disney's).Congelat), explica Trini Radio. En aquestes condicions, la capa d'aigua de desglaç pot ser tan fina com una sola molècula H20, cosa que fa que el trineu es raspi contra les asperitats o les vores rugoses de la neu plena. És possible que també intenteu baixar per una duna de sorra [PDF].

Tret que sigueu el bruixot d'hivern o el govern xinès, probablement no podreu controlar el temps, però sí com podeu preparar-vos. La investigació demostra que quan és humit i càlid, pot ser útil un trineu de fons rugós gravat amb un patró superficial de front a darrera. El patró proporciona una superfície més petita perquè les molècules d’aigua s’agafin, disminuint l’arrossegament capil·lar.



A temperatures més fredes, quan els flocs de neu són cada cop més durs, és important que el fons del trineu sigui més dur perquè pugueu llaurar qualsevol aspecte que d'una altra manera 'agafaria' el tobogan i us frenaria. Recobriu el fons del trineu amb una substància dura i llisa com una cera d’esquí d’hidrocarburs sintètics.

Però, independentment de la temperatura, la millor manera de desviar-se de la capa d’aigua fosa és lubricar el fons del trineu amb materials hidrofòbics, substàncies com greixos, oli i cera que literalment “tenen por de l’aigua”. Després de consultar els experts, vaig provar diversos lubricants hidròfobs i els vaig trobar a casa meva.

Un home, un trineu i sis lubricants

El nostre experiment va tenir lloc al turó públic de trineus de Woodstock, Nova York, enclavat sota els contraforts de les muntanyes Catskill. El termòmetre deia 29 ° F, fermament a la zona Goldilocks, que no era massa calenta ni massa freda, i la motxilla estava farcida de materials hidrofòbics quotidians: una espelma de cera de 0,98 $ de Walmart, WD-40, spray de cuina PAM, una cera de pasta de fusta dura, condiment universal Adobo i greix de cansalada.

El meu vehicle? Un trineu de plàstic verd verd blau de 11 dòlars que estava clarament destinat a transportar nens petits.

El pendent aquí era suau, però la neu no. Era vell, cruixent i dur. Més tard, vaig preguntar a Libbrecht, que ha classificat 35 tipus diferents de flocs de neu ('la majoria semblen sorra, només globus petits'), com de propici és aquesta superfície per a un bon trineu de velocitat. Va explicar que la forma dels flocs de neu canvia ràpidament en copejar el terra, esdevenint més esfèrica i suau a mesura que es compacten amb el vent, el sol i altres vellots. Dit d’una altra manera: com la gent, la neu es fa més rodona amb l’edat.

Aquesta és una gran notícia per a la velocitat, però no tan bona per a la direcció. En la meva primera prova en sec, el meu control, la meva velocitat mitjana va ser d'aproximadament 12,6 mph. En baixar, vaig completar tres piruetes i vaig demanar ajuda almenys una vegada.

Espelma de cera

iStock

El meu ritme de 12,6 mph era molt lluny del rècord mundial de trineu més ràpid (83,5 mph), així que em vaig convertir en cera.

Els corredors de neu de baixada fan servir cera des de fa més d’un segle. Abans de la dècada de 1940, la gent provava una àmplia varietat de substàncies naturals per fer que el fons del trineu quedés lliscant, incloent-hi cera d'abelles, oli de balena, resina de pi i sèu. A mitjan segle, els toboganers es fregaven els trineus amb paper de cera o amb una pràctica espelma. Les espelmes contenen cera de parafina, una barreja d’hidrocarburs saturats de cadena recta que contenen de 20 a 40 àtoms de carboni.

Ripley es creu o no fets

Segons el llibreLa física de l’esquí, de David Lind i Scott P. Sanders, els hidrocarburs de cadena recta són el camí a seguir. Aquestes molècules s’orienten en estructures paral·leles i tenen forts enllaços intermoleculars, cosa que manté la cera dura a temperatures fresques, donant així millors propietats de lliscament. Les molècules tampoc són polars i no interactuen amablement amb molècules polars com l’aigua. (No obstant això, els hidrocarburs més grossos que tenen cadenes curtes que es desvien de la cadena primària són més suaus i 'més adequats per a ... ceres dissenyades per augmentar la tracció o agafar', escriuen Lind i Sanders.)

La cera de parafina també és relativament dura i hauria de fer un bon treball sobre les asperitats de la neu sempre que la neu no estigui molt freda. I ho fa: durant dos minuts, vaig fregar l’espelma freda a la base del trineu amb un moviment circular. Una vegada que el meu cul va tocar el trineu, anava de creuer. Vaig tocar aproximadament 17,98 mph.

WD-40

Segons una llista completa, el WD-40 té més de 2.000 usos: pot eliminar les genives dels seients dels autobusos escolars, lubricar les rodes de les caixes de tuba i fins i tot evitar que els cadells masteguin les línies telefòniques. També a la llista: 'Lubrica trineus i tobogan' [PDF].

Això no és una sorpresa:WDsignifica 'desplaçament d'aigua'. I, tot i que la fórmula és tècnicament secreta, els detalls en sónCONNECTATva utilitzar cromatografia de gasos el 2009 per revelar la màgia negra que hi havia al seu interior. La seva conclusió: alcans. Els alcans són hidrocarburs hidròfugs que es neguen a unir-se amb hidrogen o oxigen. En altres paraules, exactament el que necessito sota el meu trineu.

Va funcionar: després d’un esprai nociu de 10 segons, el WD-40 va aparèixer al mateix temps que la cera de les espelmes. Però, uf, el meu viatge feia olor impia. No només això, sinó que després vaig saber que alguns alcans són claus per a la capacitat de la panerola alemanya de produir feromones destinades a atraure companys. Així que tenia això per esperar.

Spray de cocció antiadherent PAM original

Si fos un científic, provaria tots aquests materials amb l’objectiu de determinar el seu coeficient de fricció, una xifra que quantifica la quantitat de fricció entre dues superfícies. Es pot expressar mitjançant la fórmula següent, que és adequadament moribunda per lletrejar la parauladiversió.

Lucy Quintanilla, Trini Ràdio

Podeu mesurar la fricció cinètica de materials amb un instrument anomenat oscil·lògraf. Malauradament, treballo per a una empresa de mitjans de comunicació. No tenim oscil·lògrafs.

Tot i això, m’agradaria tenir-ne un per a aquesta part de l’experiment. Perquè, tot i que el coeficient de fricció d’aquesta neu que raspa la pell era certament baix, no puc parlar del meu trineu fregar-a-dub, doblat en oli de canola. Hauria d’haver tingut un baix coeficient de fricció, però l’esprai “antiadherent” va viure fidel al seu nom de totes maneres equivocades, en no adherir-se al fons del meu trineu. Va desaparèixer gairebé immediatament, fent que el meu temps de PAM fos tan lent com el meu control.

Cera de pasta de fusta dura

La cera de pasta és el lubricant dels campions. Només cal preguntar-li a Tom Cox, antic campió del Campionat Nacional de Tobogan dels Estats Units, que se celebra anualment a Camden, Maine. Cox també és el seu inspector cap de tobogan, assegurant-se que els 400 trineus de fusta que competeixen cada any compleixen les directrius de la competició.

Ha vist tota mena de substàncies escampades al fons dels trineus, des de la cera de tot el país fins a la promesa de llimona. 'Tothom ho fa diferent i no puc dir-vos quin és el secret', explica Cox a Trini Radio. 'Vaig guanyar-ho tot el 2003 i vam fer servir una cera de pasta de fusta dura, però no sé si aquesta és la resposta, perquè no he guanyat des de llavors'.

Cox pot estar atrapat en una rutina competitiva, però és un campió provat i confio en els seus mètodes. Dit això, vaig saber ràpidament que la cera de pasta és millor untar-la amb fusta i no pas amb plàstic. Amb les mans estengué la cera tova; era grumollós i desigual, com la mantega de cacauet dessecada. Vaig atreure mirades divertides dels transeünts que potser pensaven que estava embolicant un sandvitx estès al trineu. Ah, i va deixar un rastre marró gruixut de gola pel turó.

Però a qui li importa? El meu trineu gairebé va arribar a 20 quilòmetres per hora.

En condicions com aquestes, coquetejant amb el punt de fusió de la neu, pot ser ideal una cera més suau com la cera de pasta. El coeficient de la fusta encerada sobre neu seca és notablement baix: 0,04. (Com més a prop estigui el nombre de zero, més lliscant és. Per comparar-ho, el coeficient de gel contra gel gira al voltant de 0,03.) Només puc imaginar el baix que podria ser el nombre d'un trineu infantil de plàstic.

Condimentat universal Adobo

Un altre ingredient especial que també ha aparegut al trineu al Campionat Nacional de trineu? Pols de ceba.

Alguns trineus pensen que aplicar una pols fina és com afegir petits rodaments de boles al fons d’un trineu. En realitat, un fons lleugerament granulat pot ajudar a reduir l’arrossegament capil·lar en condicions càlides, cosa que impedeix que qualsevol aigua fosa que s’enganxi s’enganxi. Es pot veure això amb materials superhidrofòbics com les fulles de lotus, que es componen de milers de diminuts pilars microscòpics. Aquestes protuberàncies elevades disminueixen els punts de contacte entre la fulla i una goteta d’aigua, cosa que garanteix que l’aigua simplement rodoli. De fet, desenes de fabricants de cera d’esquí intenten crear ceres que imitin la nanoestructura de les fulles de lotus. Aquest principi és el que esperava poder aconseguir amb pols de ceba.

Però quan no vaig poder trobar pols de ceba a la cuina, vaig recórrer al condiment Adobo, que també podria ser el WD-40 del condiment. Pollastre. Filet. Filet de pollastre fregit. Podeu escampar aquesta pols de pixie sobre qualsevol cosa i nomésfunciona. És possible que Adobo no contingui pols de ceba, però si pot enganyar a persones involuntàries a creure que sóc un cuiner amb talent, potser podria funcionar amb màgia similar en les meves habilitats de trineu. Vaig mullar el fons del trineu amb un raig d’aigua i vaig condimentar generosament el meu carro de plàstic.

Va fracassar. Sigui quin sigui el motiu, després de tres intents inútils cap avall del turó, tot el que Adobo va fer va ser deixar un rastre brillant de neu groga.

Greix de cansalada

iStock

Abans del Super Bowl del 2018, la policia de Filadèlfia va evitar que els aficionats rabiosos de les Eagles convertissin els fanals locals en barres de mico de mida adulta, fregant els pals d’utilitat de la ciutat amb el fluid hidràulic Jack Bio-Bottle, un lubricant ecològic. Tenia gana d'aplicar aquest llegendari goo al meu trineu, però quan vaig trucar als proveïdors locals i vaig demanar que el comprés, tots em van dir que el lliurament trigaria setmanes. Sospitava que la ciutat de Filadèlfia havia engolit la reserva de la costa est.

Així que em vaig adreçar al joc de campionat NFC, quan la policia de Philly va trencar els pals de serveis públics amb Crisco. Afortunadament, tenia una millor alternativa a la nevera: el greix de cansalada. Qualsevol que hagi intentat rentar-se les mans de grassa de porc rendida ho sapodiaaigua. De fet, el greix es va estendre al meu trineu com la mantega fosa. Era suau i cerós, i la seva olor es barrejava amb la resta d’aromes que tenia a les mans: vainilla, oli de canola, propulsor d’aerosol, feromona potencial de panerola, cera de pasta, condiment de pollastre, per crear un miasma que està més enllà de les meves habilitats per descriure. Potser m’he llepat els dits o no. Potser ho he lamentat o no.

En aquesta època, una mare i un nen petit van començar a caminar cap al turó. Els vaig fer una salutació. Es van aturar i em van obrir la mirada, aquest home gran i desordenat assegut sol en un turó de neu marró i groga, envoltat d’ampolles de WD-40 rebutjades i condiments per a tots els usos, fregant amb força una grassa estranya al fons d’un trineu fluorescent construït per nens petits. La mare va agafar la mà del seu fill i va sortir corrents en direcció contrària.

En fi! El greix de cansalada va arribar a 17 milles per hora.

Potser he aplicat el greix massa espès. Segons Lind i Sanders, una aplicació de cera corrent hauria de tenir entre 0,005 i 0,02 mil·límetres de gruix: 'Si aquestes capes finals de cera fossin més gruixudes, tindrien més probabilitats de recollir brutícia de la superfície de la neu, que, com he vist, augmentaria la fricció '.

En altres paraules, hi ha massa lubricants. Quan vaig esborrar el greix de cansalada amb una tovallola de roba, vaig tocar 19 quilòmetres per hora.

Consells per a la vostra passejada

Els meus experiments amb trineu no eren exactament científicament rigorosos. No estaven controlats adequadament. El meu trineu no va agafar mai la mateixa ruta pel turó. El nombre de variables confuses que podrien haver esbiaixat cada resultat és, bé, confús.

Però els resultats es fan ressò dels consells dels experts: si es pot, trineu a temperatures de prop de 32 ° F, quan l'aigua de fusió sigui un gruix òptim. Eviteu la temptació de la neu acabada de caure i espereu que els flocs de neu afilats s’alisin en un camí de trineu polit. Si teniu un trineu de fusta, liureu-lo. (Segons Cox, 'Els que van més ràpidament [als Campionats Nacionals de trineu] es liquen abans de posar-hi cera, es polit amb un paper molt fi, potser 1500 gra.') Si podeu, trieu un interior tub sobre un trineu de plàstic. En un 2009Journal of Traumaestudi titulat 'Sledding: How Fast Can They Go?' els investigadors van trobar que els tubs interiors viatgen una mitjana de 2 mph més ràpid que el plàstic.

Si heu d’utilitzar plàstic, opteu pel polietilè. És hidròfob i econòmic. Segons el glaciòleg Samuel Colbeck, el polietilè és 'dur, molt elàstic, es pot suavitzar i imprimir amb diferents patrons, es pot fer porós, es pot recobrir fàcilment amb ceres, no s'adhereix fàcilment al gel i té un [coeficient de fricció' ] que no es veu molt afectat per la contaminació superficial '[PDF]. Per últim, recobriu el trineu amb una cera hidrofòbica: una cera d’esquí fluorocarbonada és òptima, però els bricolatges sempre poden guardar una espelma a la butxaca.

A més, porteu Adobo. No farà que el trineu sigui més ràpid, però deixarà un rastre de neu de color groc brillant, garantint que tindreu el turótota tu mateix.

Per obtenir més informació sobre la física dels esports de neu, Trini Radio recomana el notable i autoritzat llibre de David Lind i Scott P. SandersLa física de l’esquí.