Лыжный воск — это материал, наносимый на нижнюю часть снегоходов, включая лыжи , сноуборды и санки , для улучшения их коэффициента трения в различных снежных условиях. Два основных типа воска, используемого при изготовлении лыж, — это воск для скольжения и воск для сцепления. Они касаются кинетического трения , которое необходимо свести к минимуму с помощью воска для скольжения, и статического трения , которого следует достичь с помощью воска для захвата. Оба типа воска разработаны с учетом различных свойств снега, включая тип и размер кристаллов, а также содержание влаги на поверхности снега, которое меняется в зависимости от температуры и температурной истории снега. Воск для скольжения выбран для минимизации трения скольжения как при катании на горных , так и на беговых лыжах. Воск для сцепления (также называемый «воск для ударов») обеспечивает лыжникам сцепление на снегу, когда они шагают вперед, используя классическую технику .
Современные пластмассовые материалы (например, высокомодульный полиэтилен и тефлон), используемые в лыжных основаниях, обладают отличными свойствами скольжения по снегу, что во многих случаях снижает добавленную стоимость воска для скольжения. Точно так же однонаправленные текстуры (например, рыбья чешуя или микрочешуйчатые волоски) под ногами на беговых лыжах могут стать практической заменой воска для сцепления для лыжников, использующих классическую технику .
Йоханнес Шеффер в «Argentoratensis Lapponiæ » («История Лапландии») в 1673 году дал, вероятно, первую записанную инструкцию по нанесению лыжного воска [1] . Он посоветовал лыжникам использовать сосновую смолу и канифоль. Нанесение воска на лыжи также было зарегистрировано в 1761 году. [2] В 1733 году использование дегтя было описано норвежским полковником Йенсом Хенриком Эмахузеном. В 1740-х годах письменно зафиксировано использование саамами смолы и жира под лыжами . [3]
Примерно с 1854 года добытчики золотой лихорадки в Калифорнии проводили организованные лыжные гонки. [4] Они также обнаружили, что лыжные основания, смазанные смазками, приготовленными из растительных и/или животных соединений, увеличивают скорость. Это привело к появлению первых коммерческих смазочных материалов для лыж, таких как Black Dope и Sierra Lighting ; оба в основном состояли из масла спермы , растительного масла и сосновой смолы. Однако некоторые вместо этого использовали парафиновый свечной воск, который таял на лыжных основаниях, и он лучше работал в более холодных условиях. [5]
Сосновая смола на деревянных основаниях лыж на протяжении веков доказала свою эффективность при использовании лыж в качестве транспорта, поскольку она заполняет поры древесины и создает гидрофобную поверхность , которая сводит к минимуму всасывание воды из снега, но при этом обладает достаточной шероховатостью, чтобы обеспечить сцепление при движении вперед. В 1920-30-х годах европейские компании разработали новые лаки в качестве сезонных лыжных баз. Значительным достижением в гонках по пересеченной местности стало введение клистера для хорошего сцепления с рыхлым снегом, особенно в весенних условиях; Клистер был изобретен и запатентован в 1913 году Питером Остбайем. В начале 1940-х годов шведская химическая компания Astra AB , которую консультировал олимпийский лыжник Мартин Матсбо , начала разработку восков на нефтяной основе с использованием парафина и других добавок. К 1952 году такие известные бренды, как Toko, Swix и Rex, предлагали широкий выбор восков с цветовой кодировкой и температурой. [5]
В последней четверти 20-го века исследователи обратились к двойной проблеме: воде и загрязнениям, налипающим на лыжи весной. Терри Хертель решил обе проблемы, во-первых, с помощью нового использования поверхностно-активного вещества , которое взаимодействовало с восковой матрицей таким образом, чтобы эффективно отталкивать воду, - продукта, представленного в 1974 году компанией Hertel Wax . Компания Hertel также разработала 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 со спеченными зимними лыжами», содержащий парафин, воск-отвердитель, примерно 1% перфторэфирдиола и 2% поверхностно-активного вещества SDS. [6] Торговые марки восков Hertel: Super HotSauce, Racing FC739, SpringSolution и White Gold. [5] В 1990-х годах главный химик Swix Лейф Торгерсен обнаружил добавку из воска для скольжения, которая отталкивает пыльцу и другие примеси снега (проблема с мягким воском для сцепления во время гонок на длинные дистанции) в виде фторуглерода, который можно пригладить 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, содержащая парафиновый воск и углеводород». соединения, содержащие перфторуглеродный сегмент». [7]
Способность лыжи или другого бегуна скользить по снегу зависит как от свойств снега, так и от свойств лыж, что приводит к оптимальному количеству смазки за счет таяния снега за счет трения о лыжу - слишком мало, и лыжа взаимодействует с твердым снегом. Кристаллов слишком много, и капиллярное притяжение талой воды тормозит лыжу.
Прежде чем лыжа сможет скользить, она должна преодолеть максимальное значение статического трения, , для контакта лыжи со снегом, где – коэффициент статического трения, а – нормальная сила лыжи на снегу. Кинетическое (или динамическое) трение возникает при движении лыжи 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 статические, так и кинетические коэффициенты трения увеличиваются с понижением температуры снега (также верно для льда). [10]
Снежинки имеют самые разные формы, даже когда они падают; среди них: шестигранные звездчатые дендриты , шестиугольные иглы, тромбоциты и ледяные катышки. Как только снег накапливается на земле, хлопья сразу же начинают претерпевать трансформацию (называемую метаморфизмом ) вследствие изменения 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 при сублимации непосредственно из твердого состояния в газообразное и при замораживании-оттаивании, в результате чего они объединяются в грубые и зернистые кристаллы льда. [13] [14] Колбек сообщает, что свежий, холодный и искусственный снег более непосредственно взаимодействует с основанием лыжи и увеличивает трение, что указывает на использование более твердых восков. И наоборот, более старый, теплый и плотный снег имеет меньшее трение, отчасти из-за увеличенного размера зерна, 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 на снегу. Это: 1) сопротивление за счет сгребания снега с дороги, 2) деформация снега, по которому движется лыжа, 3) смазка лыжи тонким слоем талой воды, 4) капиллярное притяжение воды попадание снега на подошву лыж и 5) загрязнение снега пылью и другими нескользкими элементами. Распахивание и деформация относятся к взаимодействию лыжи в целом со снегом и на твердой поверхности незначительны. Смазка, капиллярное притяжение и загрязнение представляют собой проблемы для подошвы лыж и воска, который наносится для уменьшения трения скольжения или достижения адекватного сцепления. [15]
Обычно скользящие лыжи плавят тонкую и временную пленку смазочного слоя воды, возникающую из-за тепла трения между лыжой и снегом при ее движении. Колбек предполагает , что оптимальная толщина водной пленки находится в диапазоне от 4 до 12 мкм . Однако тепло, выделяемое при трении, может быть потеряно за счет передачи на холодную лыжу, тем самым уменьшая образование слоя расплава. С другой стороны, когда снег мокрый и теплый, выделение тепла создает более толстую пленку, которая может создать повышенное капиллярное сопротивление на нижней части лыж. [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, способствующую образованию талой воды для смазки, износостойкость на холодном снегу и гидрофобность для минимизации капиллярного всасывания. Этих свойств легко достичь с помощью основы из ПТФЭ , что снижает добавленную стоимость скользящих восков. [16] Линцен сообщает, что для снижения трения на беговых коньковых лыжах гораздо более важными факторами, помимо воска, являются кривизна лыж и состояние снега. [17]
Воск для скольжения можно наносить на горные лыжи, сноуборды, коньковые, классические, беговые 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 высоких водоотталкивающих свойств, чем может достичь чистый углеводородный воск. [18] Твердость воска регулируется для минимизации трения скольжения в зависимости от свойств снега, которые включают в себя эффекты: [18]
Разнообразие скользящих восков адаптировано для определенных температурных диапазонов и других свойств снега с различной твердостью воска и другими свойствами, которые обеспечивают отталкивание влаги и грязи. Твердость скользящего воска влияет на плавление снега, смазку его прохождения по поверхности и на его способность избегать засасывания талой воды в снег. Слишком малое таяние и острые края снежных кристаллов или слишком сильное всасывание затрудняют прохождение лыжи. Переломный момент между тем, где тип кристалла доминирует над трением скольжения и доминирует содержание влаги, наступает около 26 ° F (-3 ° C). Более твердые воски предназначены для более холодных, сухих и абразивных условий снега, тогда как более мягкие воски имеют более низкий коэффициент трения, но легче истираются. Восковые составы сочетают в себе три типа воска для регулировки коэффициента трения и долговечности. От твердого до мягкого, они включают синтетические воски с 50 и 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 Glide можно наносить холодным или горячим способом. Холодные аппликации включают втирание твердого воска, например мелка, нанесение жидкого воска или воска-спрея. [20] Горячее нанесение воска включает использование тепла от утюга, инфракрасной лампы или печи «горячий ящик». [21]
Роль скользящего воска заключается в адаптации и улучшении фрикционных свойств лыжной базы в соответствии с ожидаемыми свойствами снега в диапазоне от холодного кристаллического снега до насыщенного зернистого снега. Современные лыжные базы часто изготавливаются из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) . Кузьмин утверждает, что СВМПЭ непористый и не может удерживать ни воск, ни воду, поэтому нет возможности заполнить поры; более того, он утверждает, что СВМПЭ очень гидрофобен, а это означает, что мокрый снег не оказывает заметного замедления движения лыж и что воск для скольжения не имеет дополнительной способности отталкивать воду. Он отмечает, что прозрачные основы более долговечны и гидрофобны, чем те, что содержат углерод. [1] Тот же автор утверждает, что текстура более важна, чем химический состав поверхности, для создания оптимального баланса между слишком сухой (недостаточно скользкой) беговой поверхностью и слишком влажной (лыжи подвержены всасывающим силам). В теплом и влажном снегу текстура может помочь разрушить замедляющее капиллярное притяжение между лыжной базой и снегом. [21] Гисбрехт соглашается с тем, что низкий угол смачивания лыжной базы является ключевым фактором, а также подчеркивает важность степени шероховатости поверхности в микрометровом масштабе как функции температуры снега: холодный снег благоприятствует более гладкой поверхности, а более влажный и теплый снег благоприятствует более гладкой поверхности. фактурная поверхность. [22] Некоторые авторы подвергают сомнению необходимость использования каких-либо смазок для скольжения на современных лыжных базах. [23] [24]
Лыжники для беговых лыж используют воск для сцепления (также называемый «воск для ударов») для лыж классического типа, наносимых воском , чтобы обеспечить сцепление со статическим трением о снег, что позволяет им двигаться вперед по равнине и в гору. Они применяются в области под ногой лыжника и простираются несколько вперед, образуя прогиб классической лыжи, называемый «зоной сцепления» (или «зоной удара»). [25] Наличие развала позволяет лыжам цепляться за снег, когда вес приходится на одну лыжу и лыжа полностью согнута, но минимизирует сопротивление, когда лыжи имеют одинаковый вес и, следовательно, согнуты не полностью. Воски для сцепления разработаны для определенных температурных диапазонов и типов снега; Правильно подобранный воск для сцепления не снижает заметного скольжения лыж, имеющих правильный развал, соответствующий весу лыжника и условиям снега. [5] Для изготовления воска для захвата используются два вещества: твердый воск и клистер.
Некоторые лыжи не содержат воска и имеют текстуру в виде рыбьей чешуи или другой текстуры, предотвращающую скольжение лыж назад. [29] Лыжники используют временно приклеенные альпинистские шкуры , чтобы обеспечить сцепление при подъеме, но обычно снимают их перед спуском. [30]
Воск можно растворить неполярными растворителями, такими как уайт-спирит . [28] Однако некоторые коммерческие растворители воска изготавливаются из цитрусового масла , которое менее токсично, труднее воспламеняется и более бережно воздействует на лыжную базу. [31]
Лыжный воск может содержать химические вещества, потенциально опасные для здоровья, в том числе пер- и полифторалкильные вещества (ПФАВ). Было показано , что уровни перфторированных карбоновых кислот , особенно перфтороктановой кислоты (ПФОК) , увеличиваются у специалистов по смазке лыж во время лыжного сезона. [32] [33] [34]
При катании на лыжах трение между снегом и лыжами вызывает истирание воска, который остается в снежном покрове до весеннего оттепели. [35] Затем талый снег стекает в водоразделы, ручьи, озера и реки, тем самым изменяя химию окружающей среды и пищевую цепочку. ПФАС в лыжном воске термостойки, химически и биологически стабильны и, следовательно, экологически устойчивы. [36] Было показано, что они накапливаются у животных, находящихся на горнолыжных курортах. [37] Международная федерация лыжного спорта (FIS) объявила о введении запрета на использование PFAS в восках во всех соревновательных лыжных дисциплинах с зимнего сезона 2020/21. [38]
В общем случае для заданных контактирующих поверхностей µ k < µ s
Базовый лыжный воск производится из твердых углеводородов.
Некоторые компании по производству воска 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 обладает очень низким коэффициентом трения и высокой водоотталкивающей способностью.