Luchtwrijving

De waterfilm
Er zijn aanwijzingen dat de lage schuifweerstand bij het schaatsen wordt veroorzaakt door een dunne waterfilm tussen ijs en schaats. De waterfilm werkt als een soort smeermiddel tussen het over elkaar heen gleidende ijzer en ijs, waardoor de wrijving kleiner wordt.

Jarenlang werd gedacht dat de waterfilm op het ijs ontstond door de druk van de schaats op het ijs. Ze dachten altijd dat het waterfilmpje zou ontstaan door de hoge druk, want het totale gewicht van de schaatser drukte op een paar vierkante millimeter. Bijvoorbeeld, een schaatser van 75 kilo die op één kunstschaats van 20 centimeter lang en 3 millimeter breed steunt, veroorzaakt een druk van 12 atmossfeer. En als er zulke druk op het ijs komt te staan is de smelttemperatuur van het ijs maar 0,1 graag lager als normaal. Dus om het ijs dan te doen smelten moet het rond de 0 graden liggen. Ook blijkt deze theorie niet te kloppen omdat als je bijvoorbeeld een steentje over het ijs schopt, het ook bijna geen wrijving heeft, en het toch bijna geen druk uitoefent op het ijs. De verklaring moest dus in het ijs zelf zitten.

Om dit uit te zoeken hebben Amerikaanse onderzoekers onder leiding van professor M. van Hove op een platinaplaatje een laagje van ijs van slechts enkele atomen dik gelegd. In dat superdunne ijslaagje bepaalden ze de precieze posities van de waterstof- en zuurstofatomen in het ijs ten opzichte van elkaar.


Zo ontdekten ze dat in de buitenste molecuullagen de watermoleculen sterk trillen. Zo lijkt het net alsof ze een vloeistof aan de oppervlakte van het ijs vormen. Dat verschijnsel komt ook nog bij andere vaste vloeistoffen voor, maar die liggen meestal rond het smeltpunt. Bij ijs is dat niet zo, want daar blijft een soort vloeistof op liggen zelfs tot 183 graden onder nul. Bij 183 graden onder nul is het vloeibare laagje wel te dun om op te schaatsen, maar het is nog wel steeds aanwezig. Zo tot ongeveer 20 tot 30 graden onder nul is er goed op te schaatsen.

Schaatsers kiezen het liefste voor een temperatuur tussen de 7 en 9 graden onder nul, want bij die temperatuur glijdt de vloeistoffilm goed, en is het ijs zo hard geworden dat de schaatser er niet te ver met zijn schaatsen inzakt, wat dan weer zorgt voor extra schuifweerstand.

Om dat nog eens te bevestigen heeft de Nederlands theoretisch- chemicus dr. G. Kroes van de Vrije Universiteit in Amsterdam de expirimentele bevindingen nog eens onderzocht.

‘Uit computersimulaties blijkt dat tot een temperatuur van twintig tot dertig graden celsius onder nul in de eerste drie lagen de atomen ongeveer dezelfde bewegingssnelheid hebben als in een vloeistof. Tot die temperatuur is er dus nog op het ijs te schaatsen.’

‘Bij nog lagere temperaturen wordt het ijsoppervlak echter te stroef, is de algemene opvatting. Uit mijn berekeningen blijkt dat er dan in die bovenste oppervlaktelaag weliswaar bij 183 graden celsius onder nul meer wanorde heerst dan in vast ij, maar dat eigenlijk nog niet mag worden gesproken van een vloeibare fase’ aldus dr. G. Kroes.

Nog een andere theorie zegt dat dat hij ijs smelt als gevolg van de warmte die vrijkomt bij het proces van de schuifweerstand. De daarbij ontstane waterfilm zou kunnen dienen als glijmiddel. De hoeveelheid energie die daarbij vrijkomt is heel gemakkelijk te berekenen: de wrijvingskracht maal de schaatssnelheid.

Het is ingewikkelder te bepalen hoe de warmte zich over het ijs en het ijzer van de schaats verdeelt, want het ijzer van de schaats geleidt de warmte vele malen beter dan het ijs. De meeste warmte zal daarom via de schaats aan de omgeving worden overgedragen.
Dus er komt zo ongeveer geen of niet genoeg warmte vrij om het ijs te doen smelten. Uit berekeningen blijkt dat de temperatuur van het ijs door de energiestromen van de schaats maar enkele tienden van graden de temperatuur doen stijgen. Dus ook deze theorie is geen hard bewijs voor het ontstaan van het laagje water tussen ijs en de schaats.

Schaatspakken
Maar dat is niet de enige schuifweerstand die ontstaat bij het schaatsen. Slechts 20% van de totale wrijving is de wrijving met het ijs. De andere 80% ontstaan door de zogenaamde ‘vormwrijving’ ook wel luchtwrijving genoemd.

De zogenaamde vormwrijving ontstaat doordat de schaatser de lucht die hij of zij tegenkomt als het ware opzij duwt. Daardoor laat hij een soort ‘gat’ achter in de lucht achter zich, waar zich dan een gebied vormt met een lagere druk. Dat gebied wordt het ‘zog’ genoemd. Het zog duwt de schaatser als het ware terug naar achteren. Dus hoe hoger de snelheid hoe groter en sterker het zog, en hoe meer hij naar achteren wordt geduwd.


Hoe kun je nu de luchtweerstand verkleinen?
Je kunt ervoor zorgen dat het gebied met de lage druk zo klein mogelijk blijft. Dat kan je voor elkaar krijgen door ervoor te zorgen dat de wrijving het lichaam van de schaatser zo goed mogelijk volgt.

Dit bracht Delftse onderzoekers op het idee om ribbelstroken op het schaatspak aan te brengen. Hierdoor blijft de luchtstroming langer en beter tegen het been plakken. Het principe is vergelijkbaar met een golfballetje waar de kuiltjes zorgen voor minder luchtweerstand of de ruwere zones op een vliegtuigvleugel. Na metingen in een windtunnel bleken de plakstroken op de onderbenen en het hoofd minstens 5% minder weerstand te geven. Het grootste tijdsvoordeel is vermoedelijk te verwachten op de 10 kilometer wanneer de rijder zelf het minste beweegt. Natuurlijk wordt de schaatsprestatie nog door tal van andere factoren bepaald. De volgende stap was een heel ribpak, Raps Airflow Suit, of het haaienvinnenpak voor schaatsers. Het naadloze lycra pak heeft ribbels van 0,1 tot 0,5mm diep en zo’n 5mm breed.

Nike had speciaal voor de Olympische Winterspelen van 2002 het Swift Skin Suit ontwikkeld voor schaatsers. Er waren verschillende pakken voor de langebaanrijders en shorttrackers. Het sprinterspak laat het minste lucht door en is het meest aërodynamisch.