Введение
Материал для использования на бегунах по снегу
Лыжный воск – это материал, наносимый на дно бегунов по снегу, включая лыжи, сноуборды и санки, для улучшения характеристик коэффициента трения в различных снежных условиях. Два основных типа воска, используемых на лыжах, – это воски для скольжения и воски для сцепления. Они предназначены для воздействия на кинетическое трение – которое необходимо минимизировать с помощью воска для скольжения – и статическое трение – которое необходимо обеспечить с помощью воска для сцепления. Оба типа воска разрабатываются с учетом изменяющихся свойств снега, включая тип и размер кристаллов, а также содержание влаги на поверхности снега, которые меняются в зависимости от температуры и температурной истории снега. Воск для скольжения выбирается для минимизации трения скольжения как в горнолыжном, так и в беговом лыжном спорте. Воск для сцепления (также называемый "воском для отталкивания") обеспечивает сцепление со снегом для лыжников, использующих классический стиль передвижения. Современные пластиковые материалы (например, полиэтилен высокой плотности и тефлон), используемые в основаниях лыж, обладают отличными скользящими свойствами на снегу, что во многих случаях снижает дополнительную ценность воска для скольжения. Аналогично, однонаправленные текстуры (например, чешуя или микроскопические ворсинки) в области носка беговых лыж могут служить практичной заменой воска для сцепления для лыжников, использующих классический стиль.
История
Иоганн Шеффер в "Argentoratensis Lapponiæ" (История Лапландии) в 1673 году дал, вероятно, первую зафиксированную инструкцию по нанесению лыжного воска. В 1733 году норвежский полковник Йенс Хенрик Эмахузен описал использование дегтя. В 1740-х годах зафиксировано, что саамы использовали смолу и животный жир под лыжами. Начиная примерно с 1854 года, участники калифорнийской золотой лихорадки проводили организованные соревнования по скоростному спуску на лыжах. Они также обнаружили, что лыжи, обработанные смазками, приготовленными из растительных и/или животных компонентов, увеличивают скорость. Это привело к появлению первых коммерческих лыжных смазок, таких как Black Dope и Sierra Lighting, которые в основном состояли из спермацетового масла, растительного масла и сосновой смолы. Однако некоторые использовали парафиновый воск, который расплавлялся на лыжах и лучше работал в холодных условиях. В последней четверти XX века исследователи занялись решением двух проблем: прилипания воды и загрязнений к лыжам весной. Терри Хертел решил обе эти проблемы, сначала применив поверхностно-активное вещество, которое взаимодействовало с восковой матрицей, эффективно отталкивая воду – этот продукт был представлен в 1974 году компанией Hertel Wax. Хертел также разработал первый продукт на основе фторуглеродов и первый весенний воск, отталкивающий воду и делающий скользящую поверхность гладкой для весеннего горнолыжного спорта и сноуборда. Эта технология была представлена на рынке в 1986 году компанией Hertel Wax. Торговые марки восков Hertel: Super HotSauce, Racing FC739, SpringSolution и White Gold.
Наука о скольжении по снегу
Способность лыжи или другого полоза скользить по снегу зависит как от свойств снега, так и от характеристик полоза, что позволяет добиться оптимального количества смазки за счет таяния снега при трении. Недостаток смазки приводит к взаимодействию лыжи с твердыми кристаллами снега, избыток – к замедлению лыжи из-за капиллярного притяжения талой воды.
Трещины
Прежде чем лыжа сможет скользить, она должна преодолеть максимальное значение силы статического трения, , для контакта лыжи и снега, где – коэффициент статического трения, а – сила нормальной реакции опоры лыжи на снег. Кинетическое (или динамическое) трение возникает, когда лыжа движется по снегу. Коэффициент кинетического трения, , меньше коэффициента статического трения как для льда, так и для снега. И статический, и кинетический коэффициенты трения возрастают с понижением температуры снега (это также верно для льда).
Снежные свойства
Снежинки имеют широкий спектр форм даже во время падения; среди них: шестигранные звёзды, подобные дендритам, 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, солнечным излучением, дождевой водой, ветром или температурой материала под снежным покровом. Механическое воздействие включает ветер и уплотнение. Со временем снежная масса имеет тенденцию к консолидации — её кристаллы усекаются в результате разрушения или потери массы при сублимации (непосредственном переходе из твердого состояния в газообразное) и при замерзании-оттаивании, что приводит к их объединению в крупные и зернистые кристаллы льда. Колбек сообщает, что свежий, холодный и искусственный снег более непосредственно взаимодействуют с основанием лыж и увеличивают трение, что указывает на необходимость использования более твердых восков. Напротив, более старый, теплый и плотный снег демонстрирует меньшее трение, отчасти из-за увеличения размера зерен, что способствует образованию водяной пленки и более гладкой поверхности кристаллов снега, для которых подходят более мягкие воски. Кузьмин и Фасс предполагают, что наиболее благоприятная комбинация свойств материала основания лыж для минимизации трения скольжения по снегу включает в себя: повышенную твердость и пониженную теплопроводность материала основания для стимулирования образования талой воды в качестве смазки, износостойкость на холодном снегу и гидрофобность для минимизации капиллярного всасывания. Эти характеристики легко достижимы с помощью основания из ПТФЭ, что снижает дополнительную ценность, обеспечиваемую скользящими восками. Линцен сообщает, что факторы, отличные от воска, играют гораздо более важную роль в снижении трения на лыжах для конькового хода — это кривизна лыжи и состояние снега.
Воск для скольжения
Воск для лыж можно наносить на горные лыжи, сноуборды, коньковые лыжи, классические лыжи, лыжи для фрирайда и туринговые лыжи. Традиционные воски состоят из твердых углеводородов. Высокоэффективные "фторуглеродные" воски также содержат фтор, который замещает часть атомов водорода в углеводородах атомами фтора, что позволяет добиться более низкого коэффициента трения и большей водоотталкивающей способности, чем у чистого углеводородного воска. Твердость воска подбирается для минимизации трения скольжения в зависимости от свойств снега, учитывающих влияние:
Применение
Воск для скольжения можно наносить холодным или горячим способом. Холодное нанесение включает в себя втирание твердого воска как карандашом, нанесение жидкого воска или воска-спрея. Горячее нанесение воска предполагает использование тепла от утюга, инфракрасной лампы или печи для горячего нанесения воска.
Основной материал
Роль смазки для скольжения заключается в адаптации и улучшении характеристик трения лыжной базы к ожидаемым свойствам снега, варьирующимся от холодного кристаллического до насыщенного гранулированного снега. Современные лыжные базы часто изготавливаются из полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы (UHMWPE). Кузьмин утверждает, что UHMWPE не пористый и не способен удерживать ни воск, ни воду, следовательно, заполнение пор невозможно; более того, он утверждает, что UHMWPE очень гидрофобен, что означает, что мокрый снег не оказывает существенного сопротивления скольжению лыж, а смазка для скольжения лишь незначительно улучшает водоотталкивающие свойства. Он отмечает, что прозрачные базы более долговечны и гидрофобны, чем базы с содержанием углерода. Тот же автор утверждает, что текстура важнее поверхностной химии для достижения оптимального баланса между скользящей поверхностью, которая слишком сухая (недостаточно скользкая) и слишком влажная (лыжи подвержены силам присоса). В теплом, влажном снегу текстура может помочь разрушить замедляющее капиллярное притяжение между лыжной базой и снегом. Некоторые авторы ставят под сомнение необходимость использования каких-либо смазок для скольжения на современных лыжных базах.
Воск для хвата
Лыжники, занимающиеся беговыми лыжами, используют восковой воск (также называемый "воском для отталкивания") для классических лыж, чтобы обеспечить сцепление со снегом за счет статического трения, позволяющее им двигаться вперед по равнине и в гору. Воск наносится в области под стопой лыжника и немного вперед, в зону, определяемую прогибом классической лыжи, называемую "зоной сцепления" (или "зоной отталкивания"). Прогиб позволяет лыжам цепляться за снег, когда вес приходится на одну лыжу и она полностью прогибается, но при этом минимизировать сопротивление, когда вес распределен равномерно и лыжи прогибаются не полностью. Воски для отталкивания разрабатываются для определенных температурных диапазонов и типов снега; правильно подобранный воск не должен существенно ухудшать скольжение лыж с подходящим прогибом для веса лыжника и текущих снежных условий. Клистер: липкая мазь, которая может содержать комбинацию смол, восков, растворителей и жиров, состав которой адаптирован для снега, состоящего из крупных кристаллов, образовавшихся в результате оттаивания и замораживания или под воздействием ветра, и настроен для конкретных температурных диапазонов. Клистер в виде спрея удобнее, чем клистер из тюбика. Неправильный выбор клистера для снежных условий также может привести к образованию наледи. Горные лыжники-альпинисты используют временно приклеиваемые камусы для обеспечения сцепления при подъеме, но обычно снимают их для спуска.
Восковые растворители
Воск может растворяться в неполярных растворителях, таких как уайт-спирит.
Здоровье
Воск для лыж может содержать химические вещества, потенциально опасные для здоровья, включая пер- и полифторалкильные вещества (PFAS). Установлено, что уровни перфторированных карбоновых кислот, особенно перфтороктановой кислоты (ПФОК), повышаются у техников по нанесению лыжного воска в течение лыжного сезона.
Окружающая среда
При катании на лыжах трение между снегом и лыжами приводит к истиранию воска, который остается в снежном покрове до весеннего таяния. Затем талая вода стекает в водосборные бассейны, ручьи, озера и реки, изменяя химический состав окружающей среды и пищевой цепи. ПФАС в лыжном воске устойчивы к высоким температурам, химически и биологически стабильны и, следовательно, сохраняются в окружающей среде в течение длительного времени. Показано, что они накапливаются в организмах животных, обитающих в районах катания на лыжах. Международная федерация лыжного спорта (FIS) объявила о введении запрета на использование ПФАС в восках во всех соревновательных лыжных дисциплинах, начиная с зимнего сезона 2020/21 годов.