I dag curler danskerne: Forskere har fundet forklaringen bag stenenes ‘curl’
Danmarks to curlinglandshold kæmper i dag i Sydkorea til at være mest ferme i at sende en sten med en vægt på ca. 20 kg hen ad en 28 meter lang bane. De danske curlingherrer har netop tabt til deres svenske modstykker, mens kvinderne udfordrer de svenske curlingkvinder senere på dagen.
Skulle din interesse i curling og vinter-OL være minimal, er der alligevel god grund til at kaste blik på de sportslige bestræbelser. De viser nemlig også et videnskabeligt paradoks om, hvorfor curlingstenene opfører sig, som de gør.
Det handler helt præcist om tribologi – videnskaben om friktion, mekanisk slid og smøring. Her hævder fire svenske tribologer fra Uppsala Universitet, at de har fundet forklaringen på, hvorfor roterende curlingsten bevæger sig i en blød bue hen over isen.
De kan tilmed forklare det noget overraskende faktum, at udsvinget på buen er uafhængigt af, hvor hurtigt curlingstenen roterer.
En spiller sender en sten af sted (sætter den) ved at give stenen en rotation, så den typisk foretager 2-3 fulde rotationer i løbet af de ca. 25 sekunder, det tager for den at glide ned mod målet.
Undervejs vil stenen have en buet bane med et udsving på en meter eller lidt mere. Med dette curl, som har givet spillet sit navn, er det muligt at sende en sten ind bag en anden sten, der ellers blokerer for den ønskede position.
Den fysiske forklaring på dette curl har interesseret forskere i årevis. Det gælder ikke mindst Mark Shegelsk fra University of Northern British Columbia, men også Norikazu Maeno fra Hokkaido University og forskere fra statsuniversitet i Moskva er kommet med varierende forklaringer.
Udfør drikkeglasforsøget – og bliv overrasket
Det er klart, at udsvinget må have noget at gøre med friktionskræfterne mellem is og sten, og at der må være en form for asymmetri til stede.
Det er dog ikke helt enkelt at forklare, hvorfor en rotation af curlingstenen med uret får den buede bane til at gå mod højre til sidst – og at en rotation mod uret får stenen til at gå til venstre.
Hvis man vender et drikkeglas på hovedet, giver det en rotation med uret og lader det glide hen over et glat bord, så vil glasset nemlig glide i en bue mod venstre.
Der skal findes en helt anden forklaring på curlingstenens underlige opførsel. Det forekommer også noget besynderligt, at størrelsen på buens udsving ikke afhænger af, hvor hurtigt stenen roterer.
Læs også: Nye teknologier bæres ind til OL
Harald Nyberg og hans tre kolleger fra tribomaterialegruppen ved Ångströmlaboratoriet på Uppsala Universitet har for et par år siden underkastet alle tidligere forklaringer på curleffekten et eftersyn og på den baggrund forkastet dem. I stedet har de offentliggjort en helt ny forklaring i tidsskriftet Wear.
Ridser i isen styrer stenens bane
I deres beskrivelse medtager de et forhold, som andre forskere ikke har inddraget, nemlig de ridser, som stenen laver på isen, når den glider hen ad banen.
Overfladen af en curlingbane er ikke fuldstændig glat, idet man sprinkler banen med vand. Det giver anledning til, at der opstår små knopper med en højde på ca. 0,2 mm og med en diameter op til 5 mm.
Curlingstenen er ikke fuldstændig flad i bunden, men er opad hul som en vinflaske. Det er derfor kun en ring med en bredde på ca. 6 mm og en diameter på ca. 120 mm – og et areal på ca. 22 kvadratcentimeter – der har kontakt med isen. Det er desuden afgørende, at stenen ikke er poleret glat, men er ru.
Når stenen glider hen ad isen, vil den forreste del af ringen lave ridser i knopperne på isen. Ridserne får en retning i samme retning, som den forreste del af stenen roterer.
Når bagenden møder disse ridser, fungerer de som spor, der fører stenen til siden.
Eksperimenter bekræfter teorien
Harald Nyberg og co. har lavet en lang række forsøg, der bekræfter deres teori, og har lavet detaljerede målinger af kraftpåvirkningen og friktionskoefficienterne.
De har bl.a. vist, at hvis man polerer stenen, så den ingen ridser laver, så får stenen ikke noget curl.
De har også en kvalitativ forklaring på, hvorfor curlet ikke afhænger af stenens rotationshastighed.
De bemærker, at der er tre forhold, der har betydning for stenens bane.
Antallet af ridser pr. tidsenhed, der øges lineært med rotationshastigheden.
Den gennemsnitlige kraftpåvirkning på en ruhed på stenen, når den passerer en ridse. Den er stort set uafhængig af ridsens vinkel og dermed rotationshastigheden inden for de forhold, som i praksis gælder ved curling.
Glideafstanden, hvor der er en kraftpåvirkning, som er stort set omvendt proportional med rotationshastigheden.
Den kombinerede effekt giver som resultatet, at curl stort set ikke afhænger af stenens rotationshastighed.
Med denne viden på plads er der nu endnu mere grund til at nyde kampen om OL-medaljerne i curling.
Disclaimer: Dette er en redigeret version af en tidligere artikel bragt den 9.februar 2014.
"De har bl.a. vist, at hvis man polerer stenen, så den ingen ridser laver, så får stenen ikke noget curl.", står der.
Selvom jeg ikke er curler, så har jeg ofte beundret denne sport, og mit indtryk er at det netop er stenens glathed som dyrkes, derfor virker ovenstående citat lidt underligt.
Såvidt jeg ved så er det som fejerne gør, er at skabe friktionsvarme på isen, så at det dannes en vandfilm: Netop en vandfilm giver mulighed for aquaplaning, dvs. faststofkontakten ophæves, dermed bør curl pga. ridserne ligeledes neutraliseres?
Men angående glasset tur henover bordet:
1.: Den side af glasset som har højst resulterende glidehastighed (pga. glassets rutsjetur), har mindst friktion, idet høj glidehastighed giver lav friktion. Derfor er der større friktion, berøringsgrad eller gennemtrædning af vandfilmen, på den side af glasset, hvor at bevægelsesretningen er ens med rotationsretningen; det giver en krum bane, specielt såfremt at glassets rotationshastighed samt friktion kan bidrage til fremdriften.
2.: Såfremt glassets langsomme nedbremsning er progressiv, vil forkantens friktion være større end bagkantens, det kan være den anden årsag til at dets bueformede retning peger modsat dets rotationsretning.
Det kunne også tænkes at netop stenens rotation grundet friktionen laver en vandfilm på den side af stenen hvor hastigheden er størst - rotation mod uret giver størst hastighed på højre side af stenen ( hastighed ned ad banen + rotation = vandfilm) hvorimod venstre side af stenen får mindre (hastighed ned ad banen - rotation og dermed ingen vandfilm) og dermed har de to sider af stenen forskellig friktion og et simpelt kraftdiagram viser at stenen vil dreje mod venstre.
Denne teori understøttes af :
For høj hastighed og/ eller for hurtig rotation gør at stenen ikke curler da begge overflader danner vandfilm.
For lav hastighed og/eller for lav rotation gør at der ikke dannes vandfilm og stenen curler dermed ikke.
Det er korrekt at når fejerne fejer så vil stenen glide bedre - dvs den glider mere lige ud og længere. Når de ikke fejer curler den mere til siden og stopper tidligere.
Det vil være spændende at høre udøverne af den ædle curling sport om, hvad de mener er årsagen til stenens opførsel på isen..
Hvis stenen drejer med uret drejer den til højre...
Rotationen giver lavere "sten mod is hastighed" i højre side,,
..som giver højere friktion i højre side
.. som bremser stenen i højre side..
...som får den til at dreje mod højre...
Når de fejer, for at mindske curlet, så fejer de specielt i "højre" side for at mindske den større friktion, som rotationen giver i højre side..
Hvis stenens rotationshastighed hæves, så mindskes friktionen lige meget i begge sider.
Hvorfor er det ikke den simple og rigtige forklaring. ?