Лыжный воск — это материал, наносимый на нижнюю часть полозьев, включая лыжи , сноуборды и сани , для улучшения их коэффициента трения при различных снежных условиях. Два основных типа воска, используемых на лыжах, — это мази скольжения и мази сцепления. Они решают проблему кинетического трения , которое должно быть минимизировано с помощью мази скольжения, и статического трения , которое должно быть достигнуто с помощью мази сцепления. Оба типа воска разработаны для соответствия различным свойствам снега, включая тип и размер кристаллов, а также влажность поверхности снега, которые меняются в зависимости от температуры и температурной истории снега. Мазь скольжения выбирается для минимизации трения скольжения как для горных, так и для беговых лыж. Мазь сцепления (также называемая «мазью удара») обеспечивает сцепление на снегу для лыжников, когда они шагают вперед, используя классическую технику .
Современные пластиковые материалы (например, высокомодульный полиэтилен и тефлон), используемые в лыжных базах, обладают отличными скользящими свойствами на снегу, что во многих случаях снижает добавленную стоимость мази скольжения. Аналогично, однонаправленные текстуры (например, рыбья чешуя или микрочешуйчатые волоски) под ногами на беговых лыжах могут стать практичной заменой мази сцепления для лыжников, использующих классическую технику.
Иоганнес Шеффер в «Истории Лапландии» ( Argentoratensis Lapponiæ ) в 1673 году дал, вероятно, первую записанную инструкцию по нанесению лыжного воска [1] . Он посоветовал лыжникам использовать сосновую смолу и канифоль. Нанесение лыжного воска также было задокументировано в 1761 году. [2] В 1733 году использование дегтя было описано норвежским полковником Йенсом Хенриком Эмахузеном. В 1740-х годах использование саамами смолы и жира под лыжами зафиксировано в письменных источниках. [3]
Начиная примерно с 1854 года, калифорнийские золотоискатели проводили организованные спуски на лыжах. [4] Они также обнаружили, что лыжные базы, смазанные смазками, сваренными из растительных и/или животных соединений, увеличивают скорость. Это привело к появлению некоторых из первых коммерческих лыжных смазок, таких как Black Dope и Sierra Lighting ; обе в основном состояли из спермового масла , растительного масла и сосновой смолы. Однако некоторые вместо этого использовали парафиновый воск для свечей, который расплавлялся на лыжных базах, и они работали лучше в более холодных условиях. [5]
Сосновая смола на деревянных лыжных основаниях доказала свою эффективность для использования лыж в качестве транспорта на протяжении столетий, поскольку она заполняет поры древесины и создает гидрофобную поверхность, которая минимизирует всасывание воды из снега, но при этом имеет достаточную шероховатость, чтобы обеспечить сцепление для движения вперед. В 1920-х и 30-х годах европейские компании разработали новые лаки в качестве сезонных лыжных оснований. Значительным достижением для гонок по пересеченной местности стало введение клистера для хорошего сцепления на зернистом снегу, особенно в весенних условиях; клистер был изобретен и запатентован в 1913 году Петером Остби. В начале 1940-х годов Astra AB , шведская химическая компания, по совету олимпийского лыжника Мартина Матсбо , начала разработку восков на основе нефти с использованием парафина и других добавок. К 1952 году такие известные бренды, как Toko, Swix и Rex, поставляли ряд цветных, температурно-адаптированных восков. [5]
В последней четверти 20-го века исследователи обратились к двойной проблеме воды и примесей, прилипающих к лыжам в весенних условиях. Терри Хертел решил обе проблемы, сначала с помощью нового использования поверхностно-активного вещества , которое взаимодействовало с матрицей воска таким образом, чтобы эффективно отталкивать воду, продукт, представленный в 1974 году компанией Hertel Wax . Hertel также разработал первый фторуглеродный продукт и первый весенний воск, который отталкивает и делает беговую поверхность скользкой для весенних горных лыж и сноуборда. Эта технология была представлена на рынке в 1986 году компанией Hertel Wax. [5] В 1990 году компания Hertel подала заявку на патент США на «лыжный воск для использования с лыжами со спеченной основой», содержащий парафин, отвердитель воска, примерно 1% перфторэфирдиола и 2% поверхностно-активного вещества SDS. [6] Торговые марки для восков Hertel — Super HotSauce, Racing FC739, SpringSolution и White Gold. [5] В 1990-х годах главный химик Swix Лейф Торгерсен нашел добавку для воска скольжения, которая отталкивает пыльцу и другие загрязнения снега — проблему мягких восков сцепления во время гонок на длинные дистанции — в форме фторуглерода, который можно было втирать в лыжную базу. Решение было основано на работе Энрико Траверсо из Enichem SpA, который разработал фторуглеродный порошок с температурой плавления всего на несколько градусов ниже, чем у спеченного полиэтилена , [5] запатентованный в Италии как «лыжная смазка, включающая парафиновый воск и углеводородные соединения, содержащие перфторуглеродный сегмент». [7]
Способность лыж или других полозьев скользить по снегу зависит как от свойств снега, так и от свойств лыж, чтобы обеспечить оптимальное количество смазки за счет таяния снега при трении о лыжу: если ее слишком мало, лыжа будет взаимодействовать с твердыми кристаллами снега, если слишком много, капиллярное притяжение талой воды замедлит движение лыжи.
Прежде чем лыжа сможет скользить, она должна преодолеть максимальное значение статического трения, , для контакта лыжи/снега, где - коэффициент статического трения, а - нормальная сила лыжи на снегу. Кинетическое (или динамическое) трение возникает, когда лыжа движется по снегу. [8] Коэффициент кинетического трения, , меньше коэффициента статического трения как для льда, так и для снега. [9] [10] Сила, необходимая для скольжения по снегу, является произведением коэффициента кинетического трения и нормальной силы: . [11] Как статический, так и кинетический коэффициенты трения увеличиваются с более низкими температурами снега (также верно для льда). [10]
Снежинки имеют широкий спектр форм, даже когда они падают; среди них: шестигранные звездообразные дендриты , шестиугольные иглы, пластинки и ледяные гранулы. Как только снег накапливается на земле, хлопья немедленно начинают претерпевать трансформацию (называемую метаморфизмом ) из-за изменений температуры, сублимации и механического воздействия. Изменения температуры могут быть вызваны температурой окружающей среды, солнечной радиацией, дождевой водой, ветром или температурой материала под слоем снега. Механическое воздействие включает ветер и уплотнение. Со временем объемный снег имеет тенденцию к консолидации [12] — его кристаллы становятся усеченными из-за распада или потери массы с сублимацией непосредственно из твердого состояния в газообразное и с замерзанием-оттаиванием, заставляя их объединяться в грубые и зернистые ледяные кристаллы. [13] [14] Колбек сообщает, что свежий, холодный и искусственный снег взаимодействуют более непосредственно с основанием лыжи и увеличивают трение, что указывает на использование более твердых парафинов. Напротив, более старый, теплый и плотный снег обеспечивает меньшее трение, отчасти из-за увеличенного размера зерен, что лучше способствует образованию водяной пленки и более гладкой поверхности снежных кристаллов, для которых показаны более мягкие воски. [15]
Колбек предлагает обзор пяти процессов трения лыж о снег. Это: 1) сопротивление, вызванное сгребанием снега с пути, 2) деформация снега, по которому скользит лыжа, 3) смазывание лыж тонким слоем талой воды, 4) капиллярное притяжение воды в снегу к подошве лыжи и 5) загрязнение снега пылью и другими нескользящими элементами. Сгребание и деформация относятся к взаимодействию лыжи в целом со снегом и незначительны на твердой поверхности. Смазывание, капиллярное притяжение и загрязнение являются проблемами для подошвы лыжи и воска, который наносится для уменьшения трения скольжения или достижения адекватного сцепления. [15]
Обычно скользящая лыжа расплавляет тонкую и временную пленку смазывающего слоя воды, образующуюся из-за тепла трения между лыжей и снегом при движении. Колбек предполагает, что оптимальная толщина водяной пленки находится в диапазоне от 4 до 12 мкм . Однако тепло, выделяемое трением, может быть потеряно за счет теплопроводности к холодной лыже, тем самым уменьшая образование расплавленного слоя. С другой стороны, когда снег мокрый и теплый, выработка тепла создает более толстую пленку, которая может создавать повышенное капиллярное сопротивление на подошве лыжи. [15] Кузьмин и Фусс предполагают, что наиболее благоприятное сочетание свойств материала основы лыж для минимизации трения скольжения лыж по снегу включает: повышенную твердость и пониженную теплопроводность материала основы для содействия образованию талой воды для смазки, износостойкость на холодном снегу и гидрофобность для минимизации капиллярного всасывания. Эти свойства легко достижимы с основой из ПТФЭ , что снижает добавленную стоимость мазей скольжения. [16] Линцен сообщает, что для снижения трения на беговых лыжах для конькового хода гораздо важнее другие факторы, помимо воска — кривизна лыжи и состояние снега. [17]
Воск скольжения можно наносить на горные лыжи, сноуборды, коньковые лыжи, классические лыжи, лыжи для бэккантри и туристические лыжи. Традиционные воски содержат твердые углеводороды. Высокоэффективные «фторуглеродные» воски также содержат фтор, который заменяет некоторую часть атомов водорода в углеводородах атомами фтора для достижения более низких коэффициентов трения и более высокой водоотталкиваемости, чем может достичь чистый углеводородный воск. [18] Воск регулируется по твердости, чтобы минимизировать трение скольжения в зависимости от свойств снега, которые включают эффекты: [18]
Различные мази скольжения разработаны для определенных температурных диапазонов и других свойств снега с различной твердостью мази и другими свойствами, которые касаются отталкивания влаги и грязи. Твердость мази скольжения влияет на таяние снега, смазывая его прохождение по поверхности, и его способность избегать всасывания талой воды в снегу. Слишком слабое таяние и острые края кристаллов снега или слишком сильное всасывание затрудняют прохождение лыж. Переломный момент между тем, где тип кристалла доминирует над трением скольжения, а содержание влаги доминирует, происходит около 26 °F (−3 °C). Более твердые воски предназначены для более холодных, сухих или более абразивных условий снега, тогда как более мягкие воски имеют более низкий коэффициент трения, но более легко истираются. Составы восков сочетают три типа воска для регулировки коэффициента трения и долговечности. От твердых до мягких, они включают синтетические воски с 50 или более атомами углерода, микрокристаллические воски с 25-50 атомами углерода и парафиновые воски с 20-35 атомами углерода. [18] Добавки к таким воскам включают графит , тефлон , кремний , фторуглероды и молибден для улучшения скольжения и/или уменьшения накопления грязи. [19]
Воск скольжения можно наносить холодным или горячим. Холодное нанесение включает в себя втирание твердого воска, как мелка, нанесение жидкого воска или воска-спрея. [20] Горячее нанесение воска включает использование тепла от утюга, инфракрасной лампы или печи «hot box». [21]
Роль мази скольжения заключается в адаптации и улучшении фрикционных свойств лыжной базы к ожидаемым свойствам снега, которые могут встретиться в спектре от холодного кристаллического снега до насыщенного гранулированного снега. Современные лыжные базы часто изготавливаются из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (UHMWPE) . Кузьмин утверждает, что UHMWPE не пористый и не может удерживать ни воск, ни воду, поэтому нет возможности для заполнения пор; кроме того, он утверждает, что UHMWPE очень гидрофобен, что означает, что мокрый снег не замедляет лыжу заметно, и что мазь скольжения дает мало дополнительной способности отталкивать воду. Он отмечает, что прозрачные базы более долговечны и гидрофобны, чем те, которые содержат углерод. [1] Тот же автор утверждает, что текстура важнее, чем химия поверхности, для создания оптимального баланса между слишком сухой (недостаточно скользкой) и слишком влажной (лыжи подвержены всасывающим силам) поверхностью скольжения. В теплом, влажном снегу текстура может помочь разрушить замедляющее капиллярное притяжение между лыжной базой и снегом. [21] Гисбрехт соглашается, что низкий угол смачивания лыжной базы является ключевым, а также подчеркивает важность степени шероховатости поверхности в микрометровом масштабе как функции температуры снега — холодный снег благоприятствует более гладкой поверхности, а более влажный, теплый снег благоприятствует текстурированной поверхности. [22] Некоторые авторы подвергают сомнению необходимость использования каких-либо мазей скольжения на современных лыжных базах. [23] [24]
Лыжники-гонщики используют мазь сцепления (также называемую «воском удара») для классических лыж, которые можно натирать воском, чтобы обеспечить сцепление со статическим трением на снегу, что позволяет им продвигаться вперед по равнинам и подъемам. Они наносятся на область под стопой лыжника и простираются немного вперед, которая образована прогибом классической лыжи, называемым «зоной сцепления» (или «зоной удара»). [25] Наличие прогиба позволяет лыжам сцепляться со снегом, когда вес приходится на одну лыжу и лыжа полностью согнута, но минимизирует сопротивление, когда лыжи нагружены одинаково и, таким образом, согнуты не полностью. Мази сцепления предназначены для определенных температурных диапазонов и типов снега; правильно выбранный воск сцепления не снижает заметно скольжение лыж, которые имеют правильный прогиб для веса лыжника и для снежных условий. [5] Для мази сцепления используются два вещества: твердый воск и клистер.
Некоторые лыжи «не имеют восковой обработки», то есть имеют текстуру, напоминающую рыбью чешую, или другую, которая не дает лыже скользить назад. [29] Горнолыжники используют временно приклеенные камусы для обеспечения сцепления на подъеме, но обычно снимают их перед спуском. [30]
Воск можно растворить неполярными растворителями, такими как уайт-спирит . [28] Однако некоторые коммерческие растворители воска производятся из цитрусового масла , которое менее токсично, труднее воспламеняется и более щадяще для лыжной базы. [31]
Лыжный воск может содержать химикаты с потенциальным воздействием на здоровье, включая пер- и полифторалкильные вещества (PFAS). Было показано, что уровни перфторированных карбоновых кислот , особенно перфтороктановой кислоты (PFOA) , увеличиваются у техников по лыжному воску во время лыжного сезона. [32] [33] [34]
При катании на лыжах трение между снегом и лыжами приводит к истиранию воска и сохранению его в снежном покрове до весенней оттепели. [35] Затем талая вода стекает в водоразделы, ручьи, озера и реки, тем самым изменяя химию окружающей среды и пищевую цепочку. ПФАС в лыжном воске являются термостойкими, химически и биологически стабильными и, следовательно, экологически устойчивыми. [36] Было показано, что они накапливаются в животных, которые присутствуют на горнолыжных курортах. [37] Международная федерация лыжного спорта (FIS) объявила о введении запрета на ПФАС в восках во всех соревновательных лыжных дисциплинах с зимнего сезона 2020/21. [38]
В общем случае для данных контактирующих поверхностей μ k < μ s
Базовый лыжный воск изготавливается из твердых углеводородов. Некоторые компании, производящие воск, также продают воск, содержащий фтор. В этих восках некоторые, большинство или все атомы водорода в углеводородах заменены атомами фтора. Это новое соединение называется фторуглеродом и обеспечивает очень низкие коэффициенты трения и высокую водоотталкиваемость.