Трение в скалолазании (с научной точки зрения).

Автор этой статьи – Дэвид Флэнеган выражает благодарность Ричарду Джонсу и Глен Хардинг за их вклад, Статья долго находилась в написании, и, автор готов принять любые комментарии и исправления. Перевод: Ложкин Денис. Трение – это волшебный ингридиент в боулдеринге. С его помощью невероятные перехваты делаются ловко и удивительно легко. Оно непостоянно день ото дня, иногда […]

Автор
Marchuk ILya
Дата
15 Фев 2011

Автор этой статьи – Дэвид Флэнеган выражает благодарность Ричарду Джонсу и Глен Хардинг за их вклад, Статья долго находилась в написании, и, автор готов принять любые комментарии и исправления.
Перевод: Ложкин Денис.

Трение – это волшебный ингридиент в боулдеринге. С его помощью невероятные перехваты делаются ловко и удивительно легко. Оно непостоянно день ото дня, иногда зацепы держат лучше иногда хуже. И бывают дни когда любой маршрут становится реальным. Потому-то боулдерингисты и едут лазить одетые в теплые куртки и шерстяные шапки в холодную зимнюю пору.

У болдрингистов сформировался такой стереотип: холод = трение

Но все ли так просто? Какие еще факторы могут повлиять на трение? Какие скальники лучше, мягкие или жесткие? Помогает ли магнезия в действительности? Следует ли, ставя ногу, пытаться задействовать максимальную площадь стопы? Если нога соскальзывет, на нее был приложен слишком большой вес или слишком маленький?

Классическая теория относительно силы трения утверждает:

F < µR

F – Сила трения
µ – Коэффициент трения
R – Нормальная составляющая приложенной силы

Коэффициент трения µ определяется экспериментально, при контакте различных материалов. И является показателем взаимодействия тел. Например коэффициент трения резины на льду отличается от КТ резины на скале. Чем более шершавая поверхность материала – тем больше трение.

Статическое трение против динамического.
Существует два вида трения, статическое и динамическое. Первое, когда тела неподвижны друг относительно друга. Второе, когда они смещаются. Говоря о руках, нас интересует только статическое трение, потому что как только руки начали соскальзывать, в большинстве случаев падения не избежать.
Но не все так просто для резины. Принимая во внимание мнение Профессора Ричарда Джонса с кафедры физики и Астрономии Университета Шеффилда:
“Я могу с вами поспорить, когда вы заявляете что вас интересует только статическое трение, это, конечно, правда, если говорить о материалах отличных от резины. Статическое трение обычно выше динамического, и если вы начали соскальзывать, то это будет продолжаться, пока не упадете. Но, возвращаясь к резине – с ней совсем другой случай.

Для резины, коэффициент трения возрастает с увеличением скорости скольжения (до определенного значения), и совсем мал, когда скорость скольжения равна нулю. Некоторые ученые сомневаются, существует ли вообще статическое трение для резины. Сам я представляю это так, когда вы делаете движение, нагружая ногу, ваш скальник начинает медленно съезжать с зацепы, до тех пор пока растущее трение скольжения не скомпенсирует силу с которой вы отталкиваетесь от скалы. Скорость соскальзывания вероятно очень мала, возможно, практически не различима, однако я не удивлюсь, если профессиональные скалолазы, с динамичным плавным стилем лазания, подсознательно это чувствуют и используют.”

Трение и поверхность контакта.
Как вы можете заметить, в классической формуле силы трения нет никаких упоминаний о площади поверхности контакта. Все из-за того, что сила трения от нее не зависит (в теории).
Глядя невооруженным глазом, на какой ни будь предмет, он может показаться гладким, но если его достаточно увеличить, увидим мелкие шероховатости. Контактирующие материалы соприкасаются вершинами этих самых шероховатостей. Очевидно что реальная площадь поверхности контакта тел меньше кажущейся (см. картинку ниже). Например, реальная площадь контакта автомобильной шины с дорогой, обычно всего 1% от кажущейся.

Реальная площадь контакта поверхностей (по вершинам шероховатостей) намного меньше кажущейся.

Рассмотрим, в качестве примера, кирпич, лежащий на столе (см. рисунок внизу). Когда он лежит большей своей гранью на поверхности стола – в создании трения принимает участие большое количество шероховатостей. Если мы поставим кирпич на торец, количество шероховатостей соответственно станет меньше, но и сила давления на каждую из них возрастет пропорционально. И из-за повышения давления пропорционально увеличится реальная площадь контакта каждой вершины. Так что, с позиции силы трения, нет никакой разницы с какой площадью контактируют тела. Таким образом, сила трения не зависит от площади поверхности.

А теперь…
Забудьте о том, что написано выше, так как для скалолазания эта приближенная теория совершенно неприменима. Она согласуется только для экспериментов в с гладкими, параллельными поверхностями. Ее нельзя применять для контакта твердой, неровной поверхности (скалы) с мягкой деформирующейся, типа кожи или резины. Это значит, что при взаимодействии скалы/резины/кожи, кажущаяся и реальная площадь контакта становятся близкими по значению. Можно сделать вывод,  что сила трения пропорциональна площади контакта. Так что, если ваши ноги скользят – нужно использовать как можно большую площадь подошвы.

Мягкость позволяет резине, либо коже облегать шероховатости скалы.  Этим обеспечивается  большая площадь контакта. Для оптимального трения необходима шершавая скала и мягкие, но не слишком мягкие скальники. Но мы вернемся к этому позже.

Трение мы испытываем как ногами так и руками, поэтому стоит взглянуть на них по отдельности.

Ноги.
Трение создается резиной благодаря трем явлениям.
    • Деформация и механическое сцепление. Деформация резины об рельеф скалы изменяет резиновую поверхность и увеличивает площадь контакта. Чем больше нагрузка, тем больше проникновение резины в рельеф.

•  Адгезия – пропорциональна площади контакта, но её сильно снижают наличие влаги и пыли.

• Когезия. Представьте силу сопротивления срезанию тонкого слоя резины с подошвы, часть ее остается на скале, это сопротивление вносит поправки в силу трения.

Резина должна быть мягкой, что бы легче принимать форму рельефа скалы, но если она будет слишком мягкой – она деформируется под действием касательных сил и нога соскользнет.

Для реальных резиновых материалов существует зависимость мягкости от температуры, точно также она оказывает  влияиие на трение  скальников.
Во время езды по треку, шины гоночного автомобиля Формулы-1 сильно разогреваются. Резиновый компаунд, используемый в шинах разработан специально, для наилучшего сцепления при высокой температуре. Команды разогревают колеса перед установкой, чтобы они оптимально работали с самого старта.

Производители скальников, так же разрабатывают резину, работающую наилучшим образом в определенном  интервале температур (0-5 С°), если температура ниже, резина становится жесткой, и не деформируется в достаточной степени под микрорельеф. Если выше – резина становится слишком мягкой и легко деформируется, это приводит к низкой когезии, резина стирается о скалу не обеспечивая сцепления. Из-за этого скальники лучше всего работают в холодную погоду.

Почему же был выбран именно этот диапазон (0-5С°). Ответ – при такой температуре достаточно холодно, чтобы руки не потели, но не настолько, чтобы отмерзали.

Почему бы им не разработать состав для более человеческой температуры, ну например 12 С°? Конечно скальники будут работать лучше, но сцепление рук в таком случае будет ниже максимального, и вы не сможете достичь оптимума, одновременно и для рук и для ног.

Лазание по  мелким полочкам.
Когда лазишь по мизеркам, контакт со скалой ограничен размерами полочки. Стояние на таком мизере, это в большей степени механический акт, и трение здесь теряет свою определяющую роль. Поэтому олдскульные подбитые ботинки с твердой подошвой, относительно неплохо ведут себя на таких мизерах. При лазании по мелким полочкам нам хотелось бы иметь жесткие скальники с твердой резиной, которая не деформируется и не скатывается с мизеров.

Новые скальники в этом случае лучше по двум причинам. Во первых, новая нерастянутая резина жестче. Во вторых прямоугольный профиль подошвы позволяет использовать большую площадь мизера.
В идеале, хотелсь бы иметь одну резину, сделанную под мизера, и другую для лазания на трении. Кроме того из-за того что каждый компаунд разрабатывается для работы в конкретном температурном диапазоне, тот что лучше всего подходит для январского Фонтенбло, будет не так хорош в Испании в июне.
Все резиновые материалы – это компромисс между этими и  другими факторами. Так что,  дизайн скальников и резины имеет большое будущее в  разделении по специализациям.


Объемный эффект.
При сдвиге резинового предмета относительно шершавой поверхности, резиновый слой периодически сжимается и разжимается, что вследствие химической структуры, влечет энергетические потери. Этот объемный эффект потерь энергии делает определяющий вклад в трение резины. Величина потерь (гистерезиса) зависит от температуры и частоты, (частоту можно воспринимать как степень шероховатости, чем чаще микро выступы, тем выше шероховатость). Этот эффект объясняет  то, что фрикционные свойства резины сильно чувствительны к изменению температуры.

Почему на подошве скальников не бывает канавок?

Шины автомобилей нарезаны канавками, для увеличения контакта с дорогой во влажных условиях. Канавка дает воде возможность вытесниться когда шина давит на нее. Без канавок вода бы не вытеснялась, и создавала серьезную помеху сцепления с дорогой. Однако, когда дорога сухая, канавки уменьшают площадь сцепления, и, таким образом снижают трение. Поэтому шины без нарезки используются на гонках, когда трек сухой и гладкий
Мы не лазим во влажных условиях, так что на скальниках нет нарезки, чтобы увеличить площадь контакта.

Руки.

P = F/A

P – Давление
F – Сила
A – Площадь

Наша кожа имеет определенный уровень прочности. Другими словами, она может сопротивляться давлению (отношение силы к площади) до определенного значения. Неважно малая сила на маленькой площади (мелкий мизерок на положилове) или большая на большой (слоппер на нависании). Как только давление превышает этот уровень, кожа надрывается. Это еще одна причина, по которой желательно использовать максимально большую площадь. Распределение нагрузки предотвратит кожу от надрывов.

Кожа
На коже пальцев имеются контуры, т.н. гребневые линии которые увеличивают трение. Они оставляют следы на отпечатках пальцев.

Какие качества нам хотелось бы, чтобы наша кожа имела?

• Она должна быть гладкой, таким образом исключаются слабые места и концентраторы напряжения, где может начаться надрыв. Некоторые боулдерингисты пользуются наждачной бумагой между подходами к проблеме, для того чтобы снять заусенцы и неровности.
• Она должна быть толстой, но не слишком, т.к. очень толстая кожа отрывается лоскутами, (см. фото выше). С толстой кожей легче лазить на грубых скалах. Она может нарасти при длительном занятии скалолазанием или  ручной работе.
• Она не должна быть слишком сухой, т.к. пересохшая кожа легко рвется. Поэтому многие скалолазы используют увлажнители.

Есть такой крем Anti-Hydral cream (a.k.a. Stump Cream). Если наносить его на кожу пальцев, это сделает ее более толстой, и снизит потливость. Вообще-то он предназначен для сохранения кожи культи после ампутации сухой и эластичной. Пользуйтесь им с осторжностью, экономно, и применяйте увлажнитель, чтобы не пересушить кожу.

Что происходит с кожей на холоде?
Холод оказывает на руки два сильных эффекта. Во первых, наши руки меньше потеют. Во вторых, кожа становится жестче, т.к. холод снижает текучесть жидкостей, наполняющих клеточные мембраны. Сухая жесткая кожа имеет лучшее трение, чем мягкая, влажная.
Ветер оказывает влияние на трение рук, но не на трение ног. Ветер не изменяет температуру скалы, однако снижает температуру и влажность рук, и увеличивает трение.

Магнезия.
Что насчет магнезии? Последние исследования, проводимые университетом Бирмингема показывают:
“Карбонат магния, или «магнезия», используется скалолазами, для того, что бы высушить руки и увеличить коэффициент трения, и таким образом увеличить сцепление с зацепами. До сих пор не было ни одного научного исследования подтверждающего целесообразность этой практики. На самом деле, вероятнее всего, карбонат магния способен снижать коэффициент трения. Пятнадцати испытуемым было предложено надавить кончиками пальцев на плоскую зацепку (нормальная сила), в то время как тангенциальная сила вытягивала зацепку из захвата, Коэффициент трения – отношение между тангенциальной (вытягивания) и нормальной (создаваемое участниками) силами вычислялся.
Во время эксперимента варьировалось покрытие, (с магнезией и без) , влажность (влажный и сухой камень) и тип породы, (гранит, песчаник, и сланец). Результаты показали, что магнезия снижает коэффициент трения. Песчаник менее скользкий, чем гранит, и сланец. Наконец, вода, не оказала заметного влияния на коэффициент трения.
Не интуитивный эффект снижения трения магнезией, является следствием того, что магнезия высушивает кожу, снижает ее мягкость, и таким образом снижает, коэффициент трения.
Второстепенный эффект состоит в том что магнезия создает скользкий гранулярный слой. Мы заключили, что для увеличения коэффициента трения в скалолазании, необходимо тщательно удалять все частицы магнезии, и предпочтительно использовать альтернативные методы для подсушивания кожи.”

Источник: Статья “Use of ‘chalk’ in rock climbing: sine qua non or myth?” авторы F. Li, S Maregetts и I. Fowler.

deadbeat
Единственный, неожиданный для меня здесь вывод – что вода не оказала существенного влияния на трение.
Это и так известно, что магнезия снижает трение. Но она снижает его в меньшей степени, чем потные ладони, так что это наименьшее зло для большинства скалолазов.Однако, как мне кажется, они ошиблись еще и в заключении, что, “магнезия высушивает кожу, снижает ее мягкость, и таким образом снижает, коэффициент трения”
Да, магнезия высушивает кожу, да она снижает ее мягкость, но отвердение кожи не ведет к снижению коэффициента трения, наоборот оно повышает его.Не думаю, чтобы эти исследователи много взаимодействовали со скалолазами. Во введении они приравняли магнезию и тальк, что в корне не верно. В соответствии с описанием теста, они прилагали усилия кончиков пальцев к плоской поверхности, хотя было бы гораздо более реалистично, если бы испытуемые повисали на большом слопере. Так-же я подозреваю, что они не счищали излишнюю магнезию с образцов, так же тщательно как это делают скалолазы.
Некоторые известные бренды-производители магнезии, содержат дополнительно высушивающий компонент, он осушает кожу, и делает ее более жесткой. Это хорошая добавка, создает эффект подобный холодной погоде, но всегда мойте руки после лазания, чтобы предотвратить пересушивание кожи.Скала.
Из личного опыта мы знаем, что гранит имеет лучшее сцепление, чем сланец. Из-за того что гранит имеет более крупные кристаллы, которые деформируют поверхность, находящуюся с ним в контакте, а сланец это очень гладкая, мелкозернистая порода. Следовательно, площадь контакта у гранита больше.

Но как насчет песчаника? Он не такой шершавый, как гранит, но имеет такую же хорошую (если не лучше) сцепляемость.

Чем шершавее, тем лучше, но до некоторого предела. Трение зависит от реальной площади контакта двух объектов. По мере того, как шероховатость увеличивается, неоднородности становятся настолько большими, что резина уже не может к ним адаптироваться. Существует определенный предел, начиная с которого, увеличение шероховатости ведет к снижению трения.

Даже в одинаковых типах породы, размер зерна может сильно варьироваться. Сравните гранит в Three Rock (слева), и в Glendalough (справа).

Факторы оказывающие влияние на трение.

• Размер зерна: Связан с физическим размером частиц составляющих породу.
• Форма зерна: Острые зерна имеют лучшее трение чем скругленные. От того, под каким природным воздействием (ветер, дождь, ледники и т.п.) находилась скала, зависит форма зерен.
• Сортированность: Хорошо отсортированный (когда все зерна приблизительно одного размера) материал, имеет большую пористость, чем тот в котором встречаются зерна разного размера (мелкие зерна, заполняют поры между крупными). Грубый песчаник (Gritstone) плохо сортированная порода, в котором включаются зерна от мелкого песка до размеров гальки. Обычный песчаник – хорошо сортированная порода. Картинка внизу показывает, как мелкие зерна могут заполнять поры между крупными, сильно снижая пористость, хотя они и составляют малую часть всего объема материала.
• Пористость: Отношение объема пор к общему объему материала.
• Состав: Относительное количество химических элементов, в составе породы, может влиять на трение.
• Скрепление зерен: Хорошо ли они сцеплены между собой, в некоторых видах гранита, и песчаника – они скреплены плохо, в момент нагружения, они отламываются и работают как шарики в подшипниках.

Конкретный тип резины при конкретной температуре работает оптимально при конкретной степени шероховатости, если шероховатость больше, нужно либо чтобы температура была больше, либо резина мягче. Вывод – чем более грубая скала, тем мягче нужна резина

Что происходит в жаркий день? Руки потеют, но может ли сама скала быть мокрой? Нет, только в случае если в воздухе высокая влажность, вода может оказаться на скале, но в солнечный день, на скале не может выделяться влага.

Заключение.

В жизни все не просто, особенно простые вещи. Взаимодействие резины и кожи со скалой, является довольно сложным. Надеюсь, эта статья пролила свет на некоторые вещи. Похоже что большинство факторов влияющие на трение, подчиняются закону убывания прибыли, холодно но не слишком холодно, мягко, но не слишком мягко, шершаво, но не чересчур и т.д.

Силы включенные в процесс удержания на слопере:

Нормальная сила прижимающая к поверности:

N = mg* sin(A)

m – ваша масса
g – постоянная гравитации
A –  угол уклона к горизонтали.

Сила сдвига, пытющаяся сдвинуть вас с зацепки:

F = mg*cos(A)

Для того чтобы оставаться на зацепе, сила трения должна быть больше либо равна силе сдвига. То есть

U*mg*sin(A) > mg*cos(A)

Где U коэффициент трения (характеризует прилипание скальников к скале).
Таким образом масса m и гравитационная f постоянная в правой и левой части уравнения сокращаются и выражение приобретает такую форму:

u > 1 / tg(A)

Таким образом, удерживаемость на зацепе зависит только от угла зацепки, и прилипчивости ваших скальников. А ваша масса не имеет никакого значения (толстяки примите это во внимание).

Оригинал статьи тут:
http://www.theshortspan.com/features/friction.htm

«MinskOnsight» - клуб молодых инициативных людей, поставивший своей целью развитие спортивного скалолазания и других видов спорта. Нам интересен слеклайн, альпинизм, красивые виды и путешествия по разным странам и многое другое...