OL | Anja Røyne

Her er det norske curlinglaget i aksjon under OL i Vancouver. Foto: Bjarte Hetland/Wikimedia Commons

Curling. For en sport! Om jeg var fysikklærer skulle jeg ha tatt med meg elevene mine på curlingbanen for å oppleve Newtons lover på nært hold. Men det som virkelig gjør curlingen fascinerende, friksjonen, er så lite forstått at man må studere fysikk i flere år for å få noe særlig tak på det. Her kommer et lite innblikk i lovene som styrer curlingsteinens ferd over isen.

Minst mulig kontakt

Curlingsteinene – som er av granitt og mellom 17 og 20 kg tunge – er ikke flate under. De er uthulte, omtrent som en flaskebunn, slik at det bare er et ringformet område som er i kontakt med isen.

Heller ikke isen er flat. Curlingbanene sprayes av en dusj med vanndråper så de blir fulle av bittesmå ishumper.

Til sammen gjør dette at 20 kg granitt hviler på bare noen få topper av is. Intuitivt er det lett å se for seg at en helt plan overflate er glattere enn en ru flate, men når to veldig harde stoffer – som is og stein – skal gli mot hverandre, lønner det seg at den ene flaten er ru for å skape minst mulig kontakt.

Det smelter på toppene

Alle som har fulgt denne bloggen en stund bør vite at is stort sett er dekket av en tynn film med vann. Det er denne filmen som bestemmer hvordan steinen beveger seg. Desto tykkere film, desto mindre friksjon. Tykkelsen på filmen kontrolleres av to faktorer: Trykk og temperatur.

Smelting #1: Temperatur

Etter at steinen er satt i bevegelse, løper to mann foran og koster. Heftig kosting får steinen til å bremse mindre. Det er fordi kostingen øker temperaturen i isen, omtrent som når du gnir hendene fort mot hverandre. Høyere temperatur gir tykkere vannfim gir mindre friksjon gir mindre bremsing av steinen, og den går lengre. Om det kostes mer på den ene siden av steinen vil det få den til å svinge mot den andre siden, der friksjonen er større.

Smelting #2: Trykk

I curling kan man også få steinen til å svinge ved å få den til å rotere mens man skyver den fremover. Om steinen roterer med klokka, beveger fronten av steinen seg mot høyre, og friksjonen virker i motsatt retning, mot venstre. I bakkant virker friksjonen på mot høyre. Siden steinen ble satt i gang med et dytt på oversiden, der håndtaket sitter, bikker den hele tiden ørlite grann fremover. Det gjør at trykket fra steinen mot istoppene er større på fremsiden enn på baksiden. Høyt trykk gjør vannfilmen tykkere, og det gir mindre friksjon på forsiden av steinen enn på baksiden. Derfor er friksjonen som virker mot venstre mindre enn den som virker mot høyre. Summen blir en liten kraft mot høyre, som får steinen til å svinge.

Dette er avansert fysikk

I de fleste kurs i fysikk, både på videregående og på universitetet, er friksjon enten noe vi bestemmer oss for å se bort i fra, eller vi får oppgitt en enkel formel der friksjonenskraften er like stor som en bestemt andel av kraften fra tingen som beveger seg mot underlaget. I motsetning til Newtons lover har vi ingen universell naturlov som kan beskrive friksjon. Friksjon avhenger av mange forskjellige fenomener på mange forskjellige skalaer, og det foregår mye spennende forskning på dette rundt om i verden, også hos oss i Oslo. Senest i fjor ble det publisert flere artikler om nettopp curlingfysikk. Her er det mye å ta tak i.

Jeg har brukt en del tid på å se på skøyteløp i dag, og siden det ikke var uhyre spennende hele tiden ble jeg sittende og tenke på selve skøytebanen. Hva er det egentlig som skal til for å lage skøyteis i OL-klasse?

Den glatte isen

Is er et fast stoff, men det er mye glattere enn de andre faste stoffene vi omgir oss med. Imidlertid er faste overflater gjerne glatte når de er våte, og det er også flytende vann som er årsaken til at skøytene glir så lett over isen.

Siden det kan virke rart at isens overflate ikke er frossen selv om temperaturen er godt under null grader, har det vært foreslått at trykket fra skøyten på isen senker frysepunktet, eller at friksjonen mellom skøyten og isen genererer nok varme til å smelte det øverste laget med is. Om friksjonen hadde vært årsaken, hadde det vært vanskelig å få skøytene til å begynne å gli. Vi vet jo alle at is er glatt selv når man står helt stille. Trykket fra skøytene er i høyden nok til å senke frysepunktet med omtrent en grad, og skøyter glir fortsatt på isen når temperaturen er godt under tjue minusgrader.

Det viser seg at is nesten alltid har et lag av flytende vann på overflaten. Isoverflaten blir ikke skikkelig tørr før temperaturen nærmer seg tretti minus. Dette gir opphav til andre morsomme effekter som telehiv og sammensveising av snøkrystaller. Vannfilmen på isen blir tynnere desto kaldere det blir. Betyr det at isen er glattest når den er like ved å smelte? Hva er egentlig den optimale skøyteistemperaturen?

Fart versus kontroll

Under OL foregår en rekke idretter på is: Lengdeløp, kortbaneløp og kunstløp, ishockey, curling, bob, aking og skeleton. Alle har sine spesielle egenskaper, og jeg skal holde meg til dem som foregår med skøyter.

I is-spesifikasjonene fra OL i Vancouver, 2010, oppgis optimal istemperatur for lengdeløp til å være mellom -9 og -5, for kortbaneløp -5.5, for kunstløp -3.3 grader og for hockey rundt -6 grader. Desto høyere temperatur, desto tykkere skal også isen være (fra 5 cm ned til 2.5 cm). Isen kjøles ved hjelp av en kjølevæske som sirkulerer i betongsålen under banen, og jeg er usikker på om det er sånn at tykkere is nødvendigvis er mindre kald fordi den kommer høyere opp fra det kaldere underlaget, eller om temperaturen på kjølevæska endres og det er andre grunner til å ha tykkere is.

Kald is er hard og gir fart, men om den er alt for kald blir laget av overflatesmelte så tynt at det ikke gir god smøreeffekt. Varm is er mykere og gir kontroll. Når isen er nærmere smeltepunktet er det enklere for kunstløperne å få tak med skøytene i isen før de skal gjøre hopp, eller eller gjøre krappe vendinger. Siden lengdeløperne ikke svinger så mye, får de den kaldeste isen som er best for fart.

Myk is og hard is

Men hvorfor er det egentlig sånn at varm is er mykere? Isbiter som er i ferd med å smelte er da slett ikke myke. De er harde helt til de forsvinner. Hadde skøytebanen vært en stor, flat isbit, ville bare laget med overflatesmelte bli tykkere og tykkere oppå den harde isen.

Jeg tror svaret må ligge i at skøytebanen ikke er en stor isbit, men at den består av mange små iskrystaller. Når is ligger mot is har den det ganske fint, og det behøver ikke være flytende vann mellom alle iskrystallene. Men i kantene og hjørnene av krystallene har vannmolekylene det fortsatt litt ugreit, og der vil de smelte. Derfor har slike store blokker med is et nettverk av små vannårer i seg. Når temperaturen stiger, blir det mer og mer av dette vannet, helt til iskrystallene begynner å løsne fra hverandre rundt null grader. Dette opplever vi som sørpe om våren.

Størrelsen på iskrystallene avhenger for en stor del av hvor fort isen fryser. Ved å variere hvor mye vann man heller på banen, hvor kaldt underlaget er under innfrysningen, og hvor kald isen er når den brukes, kan man derfor variere isens egenskaper ganske mye.

Vedlikehold av isen

Jeg har ofte lurt på hva som egentlig skjer når skøyteløperne tar pause og isen vannes. For lengdeløp dusjes isen med vann som er 65 grader varmt. I tillegg har vannemaskinen en skarp, over to meter lang skrape som den bruker til å få isen helt plan. Siden isen hele tiden kjøles fra undersiden, gjør dette at isoverflaten blir flat og fin.

Om luftfuktigheten over isen blir for høy, kan det dannes rim. Da vokser små busker av is opp fra isoverflaten. Disse gjør isen ru og øker friksjonen. Derfor må OL-arenaene ha et godt anlegg for å holde luftfuktigheten lav.

Sånn, da vet vi det. Derimot er curlingis ikke som skøyteis, av interessante årsaker, og jeg blir kanskje nødt til å skrive noe om det senere.

Bilde: «Skate like the wind» av Joshua Mayer/Flickr (CC lisens)

Anja Røyne

Fysiker

Stikkordarkiv: OL

Curlingfysikk

OL spesial: Skøyteis