Сибирские ученые изучают скольжение лыж на уникальной установке

Ученые Института гидродинамики имени М. А. Лаврентьева СО РАН разработали экспериментальную трибологическую установку для исследования скольжения лыж по снегу, которую в перспективе можно использовать для изучения механизмов образования лавин.
Запрет фторсодержащих мазей существенно ухудшил скольжение лыж и, соответственно, результаты гонок. Это стимулировало химиков на поиск составов мазей, которые послужили бы альтернативой, а также привлекло еще больше внимания к структуре лыжи. «Речь идет о так называемом штайншлифте — микронасечках на скользящей поверхности, глубина которых не превышает десятки микрон. Эти насечки существенно улучшают скольжение лыжи, но порядок их нанесения — угол, форма, узор линий, расстояние между ними — до сих пор толком не изучен и считается чуть ли не шаманством. Успех в этом деле в значительной степени объясняется опытом технической бригады. Кроме того, такие насечки должны быть специально подобраны для каждой структуры снега, которая зависит от температуры, влажности и других факторов окружающей среды», — рассказывает заведующий лабораторией биомеханики и многомасштабной механики сложных сред доктор физико-математических наук Александр Павлович Чупахин.

Для решения первой задачи исследователи разработали специальное устройство — ротационный трибометр. Это устройство представляет собой вращающийся барабан, в который под определённым углом загружается снег. На этот снег помещается лыжный брусок, размер которого соответствует размеру детской лыжи (40–50 сантиметров). Брусок закреплен на отдельной балке. Прибор прижимает лыжу, имитируя давление веса лыжника. Благодаря вращению барабана, лыжа скользит по снегу. Высокоточный динамометр фиксирует ответное давление лыжи.
Изменяя скорость вращения и параметры снега, можно наблюдать, как изменяется скольжение и сила трения лыжи. Над барабаном установлен стационарный купол, оснащенный климатической системой. Это позволяет поддерживать постоянную температуру воздуха. Данные, полученные в ходе физических экспериментов, переносятся в цифровые модели, формируя так называемый цифровой двойник трибологической системы.
Разработанная сибирскими исследователями система позволяет анализировать характеристики скольжения по снежному покрову при определённых условиях температуры, структуры снега и его влажности, а также при заданной шероховатости поверхности лыжи, соприкасающейся со снегом. Эти сведения могут быть применены для разработки алгоритма нанесения на лыжу эффективного штайншлифта.
Трибологическая система ИГиЛ СО РАН не имеет аналогов в мире. «Помимо лыж, на нашей установке мы планируем изучать механизмы образования снежных лавин. Здесь возникает обратная задача: у вас есть горная порода, которая имеет свою макро- и микроструктуру, и на ней лежит огромный слой снега под каким-то уклоном. Светит солнце, дует ветер, меняется температура или геофизическая обстановка, и в какой-то момент начинается процесс срыва лавины. Очевидно, что в зоне контакта снега с породой или другой частью пласта произошли явления, которые этому способствовали, их изучение — тоже задача трибологии. Вместе с коллегами из Магадана и с Кавказа мы написали заявку на грант по этой лавинной тематике и сейчас ждем решения по нему», — говорит заведующий лабораторией механики неупорядоченных сред кандидат физико-математических наук Даниил Васильевич Паршин.
Для изучения процессов образования лавин прибор планируется дополнить акустическими датчиками, способными регистрировать акустические волны, возникающие при пластической деформации и разрушении пласта. Кроме того, в перспективе результаты изучения скольжения могут быть использованы для создания транспорта, способного перемещаться по зимнему бездорожью арктических и антарктических территорий.