雪板板底和雪的摩擦以及雪蜡的选择


前提条件


本篇描述的内容,很多都是不确定的,不可量化的,以及所谓经验之谈,也被一些人称之为道听途说,其实也正是因为有了这些“道听途说”,才有我们进一步去探究本质的动力和方向。


在讨论板底和雪面的摩擦力,以及雪蜡选择之前,有几个前提条件需要说明,这些说明其实想讲述一个问题,就是关于板底和雪的摩擦,以及融化水的润滑和阻力,静电吸附现象,雪蜡的化学成分和影响滑行的物理过程,目前都是一些无法量化和计算的实验经验,远达不到形成结论的程度,还需要进一步的理论分析。提出这些也许会引起一些雪蜡品牌的不快,但如果能够更加透明公开雪蜡的研究成果,对消费者也是一种负责任的表现,同时也能促进新品的开发:


1. 关于各种雪蜡的成分,以及化学特性,对于各个品牌而言是保密的,影响滑行的特性的物理过程没有公开。所以通常只能通过品牌的介绍来尝试各种品牌雪蜡之间的区别,而不能给出非常量化的标准。对于雪蜡而言,同样的适用条件下,贵的总会有贵的道理。


2. 对于雪蜡使用的添加剂,特别是氯氟烃的含量引发的环境问题,一直众说纷纭,但是为了竞赛成绩目前还是离不开一些氟化物,目前出现很多了可生物降解的环保蜡质,以及纯天然生植物提取蜡质。而其他的添加剂例如石墨,炭精这种能够具有抗静电特性的成分,对于雪板滑行时产生的较小的表面电压造成的吸附效应实际对雪板滑行时的影响程度究竟有多大,这个目前没有量化的手段。


3. 板底的粗糙结构特性,其实是影响雪板速度的最主要因素,这个结构包括粗糙的成分,大小以及方向,表面粗糙的方向会影响雪的阻力。在潮湿温暖的情况下,沿着雪板方向的粗糙结构更有优势,这就是板底排水纹的原理;而在寒冷干燥的条件下,横向的粗糙结构在没有发生融化雪的情况下会更有利。但目前这个方面也只有实验研究,没有可以量化的手段,一些雪板的处理方式也是靠反复实验,以及汲取经验来进行,并没有系统性,可控制的研究,更没有理论上的深入分析。比如经验和理论能结合的示例,如果能保持足够光滑的板底,那么有利于水的滑移性,速度还是会变快,因此,对于一些在日本滑雪的朋友,有时进雪温较高的粉雪,板底抛光比打蜡更重要也更有效,当然也更麻烦。板底粗糙的结构,也影响了板底的花纹,但板底花纹是不能够根据雪温反复修改的,因此花纹的方向和形状也成为雪板设计的经验。


4. 不同蜡的成分,可以调整雪板板底对雪的特性。相对硬的蜡,用在寒冷,不产生融化水的条件下,硬质蜡造成雪晶嵌入表面少,几乎不会产生表面热和融化水。相对软的蜡,用在温暖潮湿,具有可观的融化水导致影响滑行的条件下,软质蜡,会造成蜡质变形,从而不使雪晶继续融化,并且减小接触角。但是,通常认为软质的蜡可以减小接触角的这种说法,并没有公开的数据量化和说明。




接触摩擦


曾有朋友在滑雪时跟我描述过一个有趣的现象,在很冷的时候(环境温度低于-25度以下),没有打蜡的前提下,此时的烧结板底没有挤压板底速度快,温度越低这种现象越明显,当温度低到-30°以下时,烧结板底索性就像被冻在雪面上一样,彻底不走了,而此时的挤压板底还能够行进。由于条件的原因,我并没有复制出这个现象,而且也无法解释这个现象的原因,但通过分析这个现象,可以了解一些雪板和雪接触摩擦的背景知识。但这个摩擦力的前提,就是雪板要嵌入雪面产生压力。雪的阻力产生于雪板嵌入雪面后,雪板板底与雪之间的相互作用。雪板板底的粗糙度,雪颗粒的大小,温度和一些物理特性决定了这个阻力的大小。


对于机压雪道,雪板和雪面总滑动阻力为干摩擦力,流体剪切阻力和接触动摩擦阻力之和。


1. 干摩擦力:硬雪面的剪切强度、刚度和冰面类似,对于低温冰雪,滑动件的干摩擦主要是由晶体微凸体联结点的剪切引起的。新的干燥的雪具有小的较为尖锐的雪晶,更容易抓握住粗糙的表面。即更容易产生干摩擦。旧的干燥的雪比新雪的雪晶圆滑,雪的阻力很小。


2. 接触动摩擦阻力:在一些条件下,滑行中会有冰雪融化成水,但大部分雪板是要和雪面做直接摩擦,因此滑雪板和雪面之间仍然存在摩擦力,这个动摩擦力的摩擦系数在0.01~0.3之间,该摩擦力受到速度,接触面积,雪温,硬度,雪湿度,以及雪板板底材质,板底粗糙度和温度传导率相关。


3. 流体剪切阻力:流体摩擦是指当摩擦界面存在薄水膜时,因流体剪应力引起的摩擦阻力。该阻力与速度,雪的绝对黏度成正比,与薄水膜的厚度成反比。一些理论认为,我们滑雪的时候是在滑水,因为高速的摩擦会让雪发生融化,其实这个融化水层是和雪温和湿度相关的,当低温干燥的情况下,雪板的高速摩擦几乎不会产生雪的融化,但在条件适合的情况下,就需要计算考虑流体摩擦的影响。同时湿的雪含有丰富的水,会通过毛细作用在雪板板底接触表面产生阻力,这个阻力是由于而融化水产生的水膜厚度,是否影响到板底能够和雪晶进行接触,要看融化水时的温度和摩擦热,因此毛细阻力存在实际很难量化,不包含在计算范围内。




当雪板板底材质的硬度不同,或者雪板板底采用了不同硬度的雪蜡时,这个表面和雪之间产生的相互作用是不同的。(注:下图中的软硬,代表的是表面的材料或者蜡质的软硬表现,和板底实际采用的材质无关)




1. 硬的材质的板底表面,旧而干燥的雪面

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2. 硬的材质的板底表面,新而干燥的雪面

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3. 软的材质的板底表面,旧而湿润的雪面

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4. 软的材质的板底表面,新而干燥的雪面

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在严寒低温干燥的情况下,环境温度低于-25°时,是没有融化水的作用存在的,雪板和雪面的阻力,主要是由雪晶和孔隙之间的复杂的相互作用,粗糙成分的排列方向造成的,在这种条件下,会迫使雪晶变形或碎裂。根据Colbeck的研究结果,横向结构在寒冷的条件下,没有融化发生时是有利的。在上述的现象中,没有打蜡的烧结板底和挤压板底的区别在于表面粗糙程度以及材料软硬程度,粗糙程度也带来的粗糙结构的分布不同,如果想解释描述中的现象,我想也只有从这几个方面入手,但首先要创造复刻实验的条件。这也作为一个研究方向留待更多的实验结果验证。




接触角 contact angle和莲叶效应 Lotus Effect

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接触角是指在气、液、固三相交点处所作的气-液界面的切线穿过液体与固-液交界线之间的夹角θ,是润湿程度的量度。若θ<90°,则固体表面是亲水性的,即液体较易润湿固体,其角越小,表示润湿性越好;若θ>90°,则固体表面是疏水性的,即液体不容易润湿固体,容易在表面上移动。


简单的来说,融化水会产生润滑作用,也会带来毛细作用(液体表面对固体表面的吸引力),毛细阻力的大小依赖于水和雪板表面的接触角。对于雪板板底而言,接触角越大,毛细作用产生的阻力就越小。


莲叶效应,又称莲花效应,荷叶效应。是指莲叶表面的超疏水和自洁特性。由于莲叶的表面有一层茸毛(乳突)和一些微小的蜡质颗粒,具有疏水、不吸水的表面,落在叶面上的雨水会因表面张力的作用形成水珠,水与叶面的接触角会大于150度,滚动的水珠会顺便把一些灰尘污泥的颗粒一起带走,达到自我洁净的效果。 莲叶效应的效率非常高。


莲叶效应可以应用在雪板蜡质以及板底材料中。这个效应对雪板在温暖潮湿环境中产生更好的去污和提速效果。目前雪蜡采用了从植物身上直接提取的天然蜡,但没有公开是否能够结合表面结构信息。




板底纹路


板底纹路,有的被称为排水纹,有的说法是可以引导排水方向,还有一些职业打蜡师表示可以增加雪蜡的抓握性。这种说法的正确性,根据上面的分析,也没有能够可以量化的说明,因此只能说经验之谈。


雪板板底的每种纹路除了双板越野板有专门的滚刀可以手工压制,其他的都是要靠机器压制而成,因此竞技款的雪板,出厂的纹路在长时间使用以后,要保持雪板性能就需要用机器抛光后重新压制。板底常见的板底纹路有三种:


斜纹 Cross:这是雪板板底通常采用的一种最基本的纹理结构。是一种全能型的纹理。

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树状纹 Tree:沿着滑行方向分布的定向纹理,高速下非常稳定。

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水波纹 Wave:在树状纹基础上增加了可控性,引导转弯更加顺畅。

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其他的纹理,还有高尔夫球表面的那种坑状纹路,这种纹路是属于不连贯纹路,目的官方描述也是增加排水性能从而提高速度。但同样这也是一种实验结果。




雪蜡选择


对于雪蜡的选择,总的来说是要靠雪温和用途来判断,必要的时候还需要知道空气湿度,在竞技蜡的使用当中,还要考虑具体的雪质,现在一些产品已经细化出专门用在旱雪上用的雪蜡。雪蜡在使用时除了要注意雪温,还要注意熨斗温度以及具体用途,还有使用顺序和方法。这些标准在雪蜡外包装上都会有标识。对于雪蜡的具体分类和选择以及使用,做一点简要的说明。


用蜡顺序:


大众雪场滑行:主要目的就是为了保养板底,保持一定雪况下的速度。通常采用单层熨烫,选择可以单独使用的蜡,通常是预底蜡,简易蜡,宽温蜡或低温蜡,经过融化,熨烫,刮,刷的过程,或者垫吸蜡纸直接熨烫。


高山竞技训练:保证在各种雪况下的训练效果,选择适合训练的雪蜡,通常采用单层熨烫。


高山竞技比赛:目的就是保证在各种雪况下的速度,通常采用两层或三层,采用底蜡熨烫,刮,刷 -> 顶层蜡选择粉状蜡,熨烫,刷 -> 表层蜡采用液体蜡或者可涂抹的固体蜡,擦或刷。


越野(北欧):越野滑雪,或者野外滑雪,登山滑雪以及高山旅行滑雪,还有专门的越野竞技滑雪,所需要的蜡除了采用多层,还需要考虑长程的情况。




用途分类:


预底蜡:通常是打蜡之前用的底蜡,也是新雪板第一次打蜡时用的蜡,也是雪板出厂前打的蜡。低温预底蜡可以作为训练蜡;中温预底蜡可以用在新雪板,或者用作旅行蜡;高温预底蜡比较软,可以用在新雪板出厂蜡,也可以作为隔热箱中用蜡。


底蜡:渗透结合板底材料,防水性,耐雪晶磨损,抗静电和抗氧化性,温度范围一致性。底蜡都需要经过融化,熨烫,刮,刷的过程。


顶层蜡:通常是液体蜡,也可使用粉状蜡,或者是可以直接涂抹上蜡的固体块状蜡。


表层蜡:当在登山滑雪或者野外滑雪,或者高山旅行滑雪时,适合在表面临时涂抹来应对不同雪质雪况,以液体蜡,喷雾型居多,具有使用方便,防止结冰,滑行性好,防污的特点。




成分分类:


全氟蜡:高纯度,表面张力小,减少摩擦,润滑能力强,高防水,高抗污抗油,化学惰性和稳定性,热稳定性,滑行速度快,持续时间长。通常都是作为顶层蜡起到“加速蜡”的作用。


高氟蜡:含有高比例的低熔点氟添加剂的氟化烃混合物。耐用,抗污性强。可以单独使用,也可以作为全氟蜡的底蜡,在高空气湿度的情况下效果最好,在新雪,细状雪,干净雪条件下效果最佳。含碳等固体润滑添加剂的高氟蜡在粗雪,脏雪,人造雪和极低温的干摩擦雪晶情况下更有优势,并更加适合湿雪以及长距离越野滑雪和高速DH。高氟蜡可以单独使用,也可以作为全氟蜡的底蜡。


低氟蜡:含有较低比例的低熔点氟添加剂的氟化烃混合物。空气湿度低,低温条件下,可以单独使用,作为训练蜡或竞赛蜡。当空气湿度高时,可以用作全氟蜡的底蜡。


碳氢蜡:不含氟添加剂,是100%的碳氢石蜡,低温蜡单独使用效果更好,高温蜡可以做底蜡。




状态分类:


粉状蜡


均匀涂抹,一次熨过(5~6秒),冷却后硬尼龙刷刷10刷,猪鬃或马鬃刷刷10刷,尼龙刷刷3~4刷抛光。


液体蜡:


喷雾型:喷涂,软木刮擦


涂抹型:毛毡涂抹器,无需刷蜡。


颗粒状蜡


热熔熨烫:摆蜡,熨烫,刮板刮削,尼龙刷擦刷。


块状蜡


涂抹型:涂抹均匀,软木刮擦,尼龙毛刷抛光


热熔熨烫:融化滴蜡,熨烫(单向),刮板刮削(单向),尼龙刷擦刷。


膏状蜡


涂抹均匀,静置一分钟,毛毡面打磨,尼龙刷刷5~10刷。




温度分类:温度越低,硬度越高,但含碳的混合蜡在温度曲线上有拐点,在高温时会更硬。雪蜡温度段通常都有重合。具体要看各个品牌具体的产品标注,下面的只是示例,不是统一标准。


宽温蜡:对于大众而言,宽温蜡或者叫全温蜡,全能蜡是一种比较省心的选择,通常这种雪蜡支持的温度范围比较宽,通常范围可以达到30度左右,比如0° ~ -30°就是宽温蜡。


高温蜡:通常温度在0°以上范围内使用的蜡。温度越高,打蜡时熨斗温度就越低。通常在130°以下。高温蜡温度范围较窄,通常是10°左右。


中温蜡:严格说没有这个定义,只是为了区分高温蜡和低温蜡之间的温度范围的雪蜡。通常温度在5°~-14°之间的蜡,温度范围很窄,通常在8°左右。


低温蜡:通常温度在-12°以下范围内使用的蜡。温度越低,打蜡时熨斗温度就越高。通常在145°~155°左右。低温蜡温度范围较宽,可以达到20°。




特殊用途蜡:


远程蜡,马拉松蜡:通常适合大于10公里的远程越野滑雪比赛用蜡,支持长距离,以及一些特殊的雪况,比如非常湿的干净雪,新雪,颗粒雪采用含氟高稳定性好的蜡;非常湿的脏雪采用含碳的抗污能力强的,减少摩擦的蜡。


凹底蜡:用在越野滑雪板上的凹底区,增加抓合能力。




其他药剂:


除蜡剂/护理剂:可以改善滑行效果和板底状况,给板底上更多的蜡,增加渗透效果。使用步骤:涂抹,尼龙刷擦刷,擦净,晾干,铁刷擦刷,上预底蜡,上蜡。


粘合剂:用在粗糙雪上,在底蜡之前,使硬质凹底蜡(越野滑雪用)粘在雪板板底上。



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