Tom Pennington/Getty Images

Știința schiului de performanță21 min read

De Ionuț Preda 16.02.2022

Producătorii de schiuri lucrează ani la îmbunătățirea modelelor destinate sportivilor, pentru a le îmbunătăți timpurile de pe traseu cu miimi de secundă.

Mai strâns decât orice exemplu similar de la edițiile de vară, olimpiadele de iarnă sunt legate de o bucată specifică de echipament. Schiurile sunt utilizate de sportivi în șase din cele 15 discipline olimpice de iarnă actuale, iar disciplinele bazate pe acest tip de echipament sunt cel mai strâns asociate cu noțiunea generală a sporturilor de iarnă.

Asta înseamnă și că o bucată bună din succesul sportivilor are de-a face nu doar cu pregătirea lor fizică sau mentală, ci și cu modul în care producătorii de echipament înțeleg știința interacțiunii schiului cu zăpada de pe diverse tipuri de trasee. Și, mai ales, cu modul în care se folosesc de asta pentru a mai rade câteva miimi de secundă de pe o anumită coborâre de schi alpin sau a le crește manevrabilitatea în timpul săriturilor de schi acrobatic.

știința schiului

Tim Clayton/Corbis via Getty Images

(R)evoluția schiurilor

Decenii bune după prima ediție a Olimpiadei de iarnă, designul schiurilor nu a suferit modificări radicale.„Evolution of Ski Shape”, skiinghistory.org Mai toate erau relativ drepte, iar prin anii 1960-1970 schiurile „revoluționare” se remarcau prin lățimi diferite,  fiind mai late/înguste cu până la 10-12 mm. Noutățile se axau, mai degrabă, fie pe folosirea unor materiale noi, precum aluminiul sau fibra de sticlă, fie pe dezvoltarea unor clăpari mai comozi și ușor de folosit.

Asta s-a schimbat după 1990, când producătorii de schiuri au început să experimenteze cu forme noi. Compania slovenă Elan a fost prima care a introdus schiurile parabolice, în care secțiunea de mijloc este semnificativ mai îngustă decât cea de la capete. Astfel forma schiurilor, privită de sus, (sidecurt-ul) este mai apropiată de a unei clepsidre – până atunci, îngustarea de la mijloc era subtilă. Acest design a crescut viteza și manevrabilitatea schiurilor pe viraje rapide și scurte, chiar dacă a pierdut puțin la capitolul stabilitate față de schiurile clasice.

Mărimea sidecut-ului a fost adaptată diverselor discipline. Cele folosite în competițiile de slalom normal pot avea și o lățime aproape dublă la capete; în schimb, schiorii de la slalom uriaș folosesc variante în care sidecut-ul este semnificativ mai mic, iar forma de clepsidră a schiului este mai puțin pronunțată. Motivul ține de manevrabilitate: cu cât schiurile sunt mai drepte, cu atât ele au o rază de întoarcere mai mare și stabilitate mai ridicată pe viraje abrupte. În schimb, schiurile cu sidecut mai mare renunță la o parte din raza de întoarcere pentru a gestiona mai bine virajele rapide.

Pe aceeași logică, schiurile folosite în probele de schi acrobatic cu movile au un profil și mai drept, pentru a putea traversa cât mai bine terenul abrupt, iar cele folosite în săriturile cu schiuri nu au sidecut, datorită naturii competiției, în care nu sunt necesare viraje, iar accentul este pus pe creșterea portabilității.

Schiurile parabolice au dat startul unui val de inovație care a propus, în următoarele două decenii, forme noi. De exemplu, în modelul Spatula de la Volant, sidecut-ul este inversat, partea de mijloc fiind mai lată decât extremitățile, ceea ce oferă un control superior în probele de schi alpin desfășurate pe zăpadă proaspată, pudrată.„An Abbreviated History of Modern Ski Technology”, rei.com

Acestora li s-au adăugat și noi variații în profilul lateral al schiurilor. Schiurile de profil Camber, în care partea de mijloc a schiului este ușor ridicată față de cele două capete, fuseseră  patentate în secolul al XIX-lea. Avantajul lor este că distribuie greutatea sportivului și către extremitățile schiului, care au un contact mai constant cu suprafața și „taie”, astfel, mai ușor prin zăpadă.

știința schiului

Infografic de Alec Pop

În 2002, au apărut însă primele schiuri care inversează Camberul; în acest profil, numit Rocker, capetele schiului sunt mai ridicate și mijlocul este plat; ele oferă o stabilitate mai bună și ușurează pătrunderea prin zăpada proaspătă. Nu este, însă, cazul de a alege unul din cele două designuri: schiurile făcute specific pentru sportivii de nivel înalt pot conține combinații subtile a ambelor profiluri, în funcție de disciplină și de cerințele traseului, așa că pot exista schiuri cu dublu Camber și un ușor Rocker doar pe partea din față.

Din ce sunt făcute schiurile moderne?

Pe lângă formă, și compoziția schiurilor a evoluat semnificativ în ultimele decenii. Față de schiurile clasice din lemn flexibil sau diverse fibre, cele moderne au un design stratificat, în care diverse materiale sunt folosite în funcție de țintele de masă și flexibilitate ale sportivului.„Outfitting the world’s best athletes for the Winter Olympics”, theconversation.com

Talpa schiurilor de performanță este deseori alcătuită dintr-un tip special de polietilenă cu masă moleculară ridicată, UHMWPE,Ultra-high molecular weight polyethylene material folosit și în crearea protezelor de șold sau genunchi, cu pori microscopici care facilitează aplicarea cerurilor speciale pentru schi.

Părțile laterale ale schiului sunt printre cele mai importante, având în vedere că trebuie să fie destul de ascuțite pentru a putea „tăia” prin zăpadă/gheață, dar și destul de flexibile pentru a nu se rupe sau a nu face schiul prea rigid. În general, acestea sunt create din aliaje de oțel procesate pentru a atinge parametrii doriți, și pot înconjura întreg conturul schiului, pentru a-l face mai incisiv, sau pot fi aplicate exclusiv pe părțile laterale, pentru a-i scădea cât mai mult din greutate.

În interiorul schiului, stratul din centrul acestuia este format dintr-un material de bază. Acesta poate fi un tip de lemn laminat sau, pentru avantaje specifice, alt material: carbon (material ușor, care se compresează eficient), kevlar (foarte puternic), fibră de sticlă (ușoară și relativ puternică) sau titaniu (foarte ușor și puternic). Alternativ, stratul central poate fi o combinație din mai multe astfel de materiale.„Ski Construction”, mechanicsofsport.com

Stratul central este făcut „sandwich” de către două sau mai multe straturi de compoziție, menite atât să îl protejeze, cât și să adauge alte caracteristici schiului, precum reducerea vibrațiilor sau mai multă elasticitate. În unele cazuri, fiecare dintre aceste straturi sunt făcute din materiale diferite, cu scopul de a le combina/optimiza beneficiile.

Toate aceste părți individuale sunt „lipite”, de obicei, cu rășină epoxidică, iar modul și cantitatea în care este aplicată poate afecta, de asemenea, caracteristicile schiului.

știința schiului

Tatiana Chekryzhova/EyeEm via Getty Images

Ceară pentru medalii

Schiurile personalizate nu sunt singurele necesare pentru a putea concura la nivel înalt. O parte importantă din ușurința cu care se deplasează schiorii de combinată nordică sau a vitezelor atinse în schiul alpin ține și de aplicarea pe talpa schiului a cerurilor speciale care, în funcție de probă, pot ajuta schiul să alunece mai ușor sau să aibă o aderență mai ridicată la suprafață.

Există o variație destul de mare între diferitele tipuri de ceară pentru schi,„Grip and Glide: A Short History of Ski Wax”, skiinghistory.org iar formulele sunt adaptate în funcție de diverși factori, precum condițiile de pe traseu – de exemplu, dacă zăpada este proaspătă, moale sau dură – sau tipul traseului. Un traseu de schi fond care are porțiuni multe de coborâre va necesita o combinație de ceară care permite alunecarea mai bună a schiurilor, pe lângă aderența necesară porțiunilor de urcare.

Aceste ceruri sunt aplicate în mai multe straturi, iar în multe din ele straturile de bază, care trebuie să asigure menținerea mixturii pe schi pe toată durata probei, sunt similare cerii parafine din lumânări.„What’s ski wax, and how does it help us schuss down the slopes?”, acs.org

Diferențele apar în compușii chimici care apar în mixtură: cerurile care favorizează alunecarea conțin hidrocarburi care previn potențiale acumulări de apă, rezultată din frecarea schiului de zăpadă, pe talpa acestuia, care ar crea o rezistență adițională. De partea cealaltă, cele care favorizează aderența conțin amestecuri cu substanțe precum colofoniu, cauciuc natural sau rășină, în funcție de temperatura și consistența zăpezii de pe traseu.

Până recent, au fost folosite și ceruri cu fluorocarburi – compuși în care o parte din atomii de hidrogen sunt înlocuiți de unii de fluor, care scad frecarea generată de ceară și sunt mai eficienți în a respinge apa. Însă o parte dintre aceste substanțe au început să fie interzise chiar din sezonul acesta de diversele federații de sporturi de iarnă, după ce studiile au arătat că unii dintre compuși au efecte de sănătate negative atât asupra utilizatorilor, cât și a muncitorilor care le produc„Ski Wax Chemicals Can Build Up in Blood”, scientificamerican.com și pot fi nocive pentru mediul înconjurător, în zonele din jurul pârtiilor în care se scurg.„Environmental occurrence and fate of semifluorinated n-alkanes and perfluorinated alkyl acids present in ski waxes”, diva-portal.org

Deocamdată, problema este că nu s-au găsit metode de a depista pe loc cerurile care conțin fluorocarboni, așa că nu există o soluție pentru a împiedica folosirea lor în cadrul Olimpiadei de la Beijing.„No instant testing for toxic ski waxes at the Olympics”, apnews.com

Vibe-uri care dăunează experienței

Unul dintre factorii care afectează performanța schiorilor, în special la nivelele de competiție foarte înalte, sunt vibrațiile pe care le produc schiurile din cauza contactului imperfect cu suprafața zăpezii.

Micile denivelări de la suprafața pârtiilor întrerup contactul complet al schiurilor cu zăpada și pot provoca vibrații consistente la viteze mari, precum cele atinse în schiul alpin, încetinind schiorul și îngreunându-i capacitatea de a-și păstra stabilitatea atunci când schimbă direcția.„A multibody simulation study of alpine ski vibrations caused by random slope roughness”, harvard.edu

În prezent, singura metodă consistentă de a reduce efectele vibrațiilor este creșterea masei și reducerea flexibilității schiurilor, ceea ce, evident, contrazice evoluțiile de design din ultimele decenii, care caută schiuri cât mai ușoare și flexibile, în special pentru discipline care necesită urcarea pantelor.

Producătorii de schiuri încearcă să propună diverse compromisuri pentru această problemă. De exemplu, introducerea în straturile de bază ale schiului a titanalului„What Ski Designers Mean by “Metal” and Why It Matters”, skimag.com – un aliaj de aluminiu care conține și zinc, magneziu sau cupru –, care adaugă greutate și rigiditate schiului, dar despre care se susține că ar fi mult mai eficient în combaterea vibrațiilor decât materiale clasice, precum fibrele de carbon sau sticlă. Unele companii încearcă să ajungă la același rezultat prin încorporarea materialelor vâscoelastice sau instalarea unor dispozitive la exteriorul schiurilor, precum amortizori pe bază de particule, în care energia vibrațională este disipată într-un recipient cu diverse particulare granulare.

Este, însă, incert dacă aceste tehnologii pot deveni eficiente. Un studiu „Comparative Study of Ski Damping Technologies by Accelerance Maps”, mdpi.com prezentat la conferința Asociației Internaționale de Inginerie Sportivă din 2020 a comparat mai multe astfel de tehnologii propuse de producători mari și a ajuns la câteva concluzii interesante: în primul rând, nu există diferențe mari în suprimarea vibrațiilor între schiuri cu titanal și cele cu fibră de sticlă. În același timp, dispozitivele propuse pentru disiparea lor au un efect foarte limitat, care ar putea fi mai degrabă atribuit masei adiționale pe care o presupune instalarea lor pe schi decât soluției pe care o propun.

Pentru viitorul apropiat, nu se întrevăd schimbări radicale în designul sau materialele din care sunt făcute schiurile sportivilor de performanță, ci mai degrabă vor fi făcute îmbunătățiri incrementale pentru modelele actuale. Însă, cu cât este studiată mai mult știința din spatele contactului schiurilor cu suprafațele de concurs, cu atât sunt șanse mari să apară noi concepte revoluționare care să le optimizeze viteza, manevrabilitatea și, mai ales, timpii de pe traseu.



Text de

Ionuț Preda

Redactor cu câțiva ani de experiență în presa centrală. Este curios despre aplicarea tehnologiilor SF în lumea reală și evoluția ideilor de-a lungul istoriei.

ȘTIINȚĂ|SCIENCE OF FOOD

Expirat nu înseamnă stricat. Care e diferența dintre data expirării și data limită de consum?

De
Românii aruncă la gunoi 1,3 milioane de tone de mâncare în fiecare an. Dacă înțelegi corect termenul de valabilitate al produselor alimentare, poți ameliora situația.
ȘTIINȚĂ|RO-CERCETARE

Cercetătorii români te sfătuiesc: ia o micropauză

De
O trecere în revistă a rezultatelor științifice românești din luna august
ȘTIINȚĂ|SCI-FACTS

5 animale dispărute care ar putea fi readuse la viață

De
Genetica oferă noi soluții pentru readucerea la viață a speciilor dispărute
ȘTIINȚĂ|OVERVIEW

Forme ciudate ale materiei: lumina lichidă

De
O stare de agrerare rară a materiei în care fotonii devin superfluizi va fi mai ușor de obținut și cercetat