Comment faire aller plus vite un traîneau, selon la science

Vous avez donc besoin de vitesse.Suivantla vitesse. Vous avez déjà choisi une pente raide et rationalisé votre forme. Vous portez peut-être une combinaison de luge moulante en Lycra et vous vous êtes rasé la tête. Peut-être que vous vous êtes rasétout- lorsque vous luttez contre la résistance de l'air, vous ne pouvez rien laisser au hasard.

Supposons que vous ayez rayé tout cela de votre liste de choses à faire et que vous souhaitiez maintenant réduire la friction entre votre motoneige et le sol. En d'autres termes, vous êtes Clark Griswolding et vous avez besoin d'un lubrifiant solide pour luge.

La science peut-elle vous aider à aller plus vite ? Oui il peut.

Tribologie et traînée capillaire

La science de la friction et de la lubrification – ce qu'on appelle la tribologie – s'est beaucoup concentrée sur la neige et la glace : la recherche est appréciée par les chercheurs sur les avalanches, les fabricants d'automobiles et de pneus, et l'industrie américaine des sports d'hiver de 20 milliards de dollars. Le consensus ? Vous devez exploiter les propriétés de la « lubrification à l'eau de fonte ».

Lorsque les luges dévalent une colline, ils ne se déplacent pas sur de la neige pure, ils écument une couche microscopique d'eau de fonte. Cette eau, créée par le frottement du traîneau en mouvement, est votre principal lubrifiant. Selon les chercheurs [PDF] de l'entreprise de ski Swix, la couche d'eau de fonte idéale a une épaisseur de 50 molécules et se produit à environ 32 ° F. Tout ce qui est plus chaud produira un excès d'eau de fonte qui peut s'accrocher à votre traîneau. Ce processus, appelé traînée capillaire, diminue les vitesses.

La neige très froide n'est pas mieux. Lorsque le mercure descend en dessous de 14 °F, il est difficile de trouver une couche importante d'eau de fonte lubrifiante. 'Quand il fait si froid, la couche liquide ne va pas se former sans une quantité excessive de friction', Kenneth Libbrecht, physicien de Caltech et spécialiste des flocons de neige (qui a également été consultant en flocons de neige sur Disney'sCongelé), raconte Trini Radio. Dans ces conditions, la couche d'eau de fonte peut être aussi mince qu'une seule molécule de H20, ce qui fait que votre traîneau frotte contre les aspérités ou les bords rugueux de la neige tassée. Autant essayer de descendre une dune de sable [PDF].

À moins que vous ne soyez le Winter Warlock ou le gouvernement chinois, vous ne pouvez probablement pas contrôler la météo, mais vous pouvez contrôler la façon dont vous vous y préparez. La recherche montre que lorsqu'il fait chaud et humide, un traîneau à fond rugueux gravé d'un motif peu profond de l'avant vers l'arrière peut être utile. Le motif offre une surface plus petite pour les molécules d'eau à saisir, diminuant la traînée capillaire.

À des températures plus froides, lorsque les flocons de neige sont plus pointus et plus durs, il est important de rendre le fond de votre traîneau plus dur afin que vous puissiez déneiger toutes les aspérités qui autrement « attraperaient » votre toboggan et vous ralentiraient. Enduisez donc le bas de votre motoneige d'une substance dure et lisse comme un fart de ski synthétique aux hydrocarbures.

Mais quelle que soit la température, la meilleure façon d'effleurer la couche d'eau de fonte est de lubrifier le fond de votre traîneau avec des matériaux hydrophobes, des substances telles que la graisse, l'huile et la cire qui ont littéralement « peur de l'eau ». Après avoir consulté les experts, j'ai testé plusieurs lubrifiants hydrophobes et je les ai tous trouvés chez moi.

Un homme, un traîneau et six lubrifiants

Notre expérience a eu lieu sur la colline de luge publique à Woodstock, New York, coincée sous les contreforts des montagnes Catskill. Le thermomètre indiquait 29 ° F - fermement dans la zone Goldilocks d'eau de fonte ni trop chaude ni trop froide - et mon sac à dos était rempli de matériaux hydrophobes de tous les jours : une bougie de cire à 0,98 $ de Walmart, WD-40, aérosol de cuisson PAM, une cire de pâte de bois dur, un assaisonnement tout usage Adobo et de la graisse de bacon.

Mon véhicule ? Un traîneau en plastique bleu-vert à 11 $ qui était clairement destiné à transporter de jeunes enfants.

La pente ici était douce, mais pas la neige. C'était vieux, croustillant et dur. J'ai ensuite demandé à Libbrecht - qui a classé 35 types de flocons de neige différents ('la plupart ressemblent à du sable, juste de petites boules') - à quel point une telle surface est propice à une bonne vitesse en luge. Il a expliqué que la forme des flocons de neige change rapidement lorsqu'ils touchent le sol, devenant plus sphériques et lisses à mesure qu'ils sont compactés par le vent, le soleil et d'autres traîneaux. En d'autres termes : comme les gens, la neige s'arrondit avec l'âge.

C'est une bonne nouvelle pour la vitesse, mais pas si bonne pour la direction. Lors de mon premier essai à sec—mon contrôle—ma vitesse moyenne était d'environ 12,6 mph. En descendant, j'ai effectué trois pirouettes et j'ai appelé à l'aide au moins une fois.

Bougie de cire

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Mon rythme à 12,6 mph était loin du record du monde de la course de luge la plus rapide (83,5 mph), alors je me suis tourné vers la cire.

Les coureurs de descente sur neige utilisent le fart depuis plus d'un siècle. Avant les années 1940, les gens essayaient une grande variété de substances naturelles pour rendre le fond du traîneau lisse, notamment la cire d'abeille, l'huile de baleine, la résine de pin et le suif. Au milieu du siècle, les lugeurs frottaient leurs traîneaux avec du papier ciré ou une bougie pratique. Les bougies contiennent de la cire de paraffine, un mélange d'hydrocarbures saturés à chaîne droite contenant 20 à 40 atomes de carbone.

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D'après le livreLa physique du ski, par David Lind et Scott P. Sanders, les hydrocarbures à chaîne droite sont la voie à suivre. Ces molécules s'orientent dans des structures parallèles et ont de fortes liaisons intermoléculaires, ce qui maintient le fart dur à des températures fraîches, offrant ainsi de meilleures propriétés de glisse. Les molécules sont également non polaires et n'interagissent pas gentiment avec les molécules polaires telles que l'eau. (Cependant, les hydrocarbures plus volumineux, qui ont des chaînes courtes se ramifiant à partir de la chaîne primaire, sont plus mous et « plus adaptés aux… cires conçues pour augmenter la traction ou l'adhérence », écrivent Lind et Sanders.)

La cire de paraffine est également relativement dure et devrait faire un bon travail sur les aspérités de la neige tant que la neige n'est pas très froide. Et c'est le cas : pendant deux minutes, j'ai frotté la bougie froide dans la base du traîneau en utilisant un mouvement circulaire. Une fois que mes fesses ont touché le traîneau, j'étais en croisière. J'ai atteint environ 17,98 mph.

WD-40

Selon une liste complète, le WD-40 a plus de 2000 utilisations : il peut enlever la gomme des sièges des bus scolaires, lubrifier les roues des étuis de tuba et même empêcher les chiots de mâcher les lignes téléphoniques. Également sur la liste : 'Lubrifie les traîneaux et les toboggans' [PDF].

Ce n'est pas une surprise :DEOsignifie « déplacement d'eau ». Et bien que la formule soit techniquement secrète, les détectivesFILAIREutilisé la chromatographie en phase gazeuse en 2009 pour révéler la magie noire à l'intérieur. Leur conclusion : les alcanes. Les alcanes sont des hydrocarbures hydrofuges qui refusent de se lier à l'hydrogène ou à l'oxygène. En d'autres termes, exactement ce dont j'ai besoin sous mon traîneau.

Cela a fonctionné : après une pulvérisation nocive de 10 secondes, le WD-40 a enregistré le même temps que la cire de bougie. Mais, ouf, mon voyage sentait-il impie. Non seulement cela, mais j'ai appris plus tard que certains alcanes sont la clé de la capacité de la blatte germanique à produire des phéromones destinées à attirer des partenaires. J'avais donc ça à attendre avec impatience.

Aérosol de cuisson antiadhésif PAM Original

Si j'étais un scientifique, je testerais tous ces matériaux dans le but de déterminer leur coefficient de friction, un chiffre qui quantifie la quantité de friction entre deux surfaces. Il peut être exprimé par la formule suivante, qui est, à juste titre, mourir pour épeler le motamusant.

Lucy Quintanilla, Trini Radio

Vous pouvez mesurer le frottement cinétique des matériaux avec un instrument appelé oscillographe. Malheureusement, je travaille pour une entreprise de médias. Nous n'avons pas d'oscillographes.

Cependant, j'aurais aimé en avoir un pour cette partie de l'expérience. Parce que même si le coefficient de friction de cette neige grattante était certainement faible, je ne peux pas parler pour mon traîneau à friction doublé d'huile de canola. Il aurait dû avoir un faible coefficient de friction, mais le spray « No-stick » a vécu fidèlement à son nom de toutes les mauvaises manières – en ne collant pas au fond de mon traîneau. Il a disparu presque immédiatement, rendant mon temps PAM aussi lent que ma course de contrôle.

Cire en pâte de bois dur

La cire en pâte est le lubrifiant des champions. Il suffit de demander à Tom Cox, un ancien champion des championnats nationaux de luge des États-Unis, organisés chaque année à Camden, dans le Maine. Cox est également son inspecteur en chef des toboggans, s'assurant que les 400 traîneaux en bois qui courent chaque année répondent aux directives de la compétition.

Il a vu toutes sortes de substances étalées sur le fond des traîneaux, de la cire de cross-country au Pledge au citron. 'Tout le monde le fait différemment, et je ne peux pas vous dire quel est le secret', a déclaré Cox à Trini Radio. 'J'ai tout gagné en 2003, et nous avons utilisé une cire en pâte, une cire pour parquet, mais je ne sais pas si c'est la réponse, car je n'ai plus gagné depuis.'

Cox est peut-être coincé dans une ornière compétitive, mais c'est un champion éprouvé, et j'ai confiance en ses méthodes. Cela dit, j'ai rapidement appris qu'il est préférable d'étaler la cire en pâte sur du bois, pas sur du plastique. À l'aide de mes mains, j'étale la cire molle ; c'était grumeleux et inégal, comme du beurre de cacahuète séché. J'attirais les regards interrogateurs des passants qui pensaient peut-être que j'avalais un sandwich étalé sur mon traîneau. Oh, et cela a laissé une grosse traînée brune de goop en bas de la colline.

Mais qui s'en soucie ? Mon traîneau a presque atteint 20 milles à l'heure.

Dans des conditions comme celles-ci, flirtant avec le point de fusion de la neige, une cire plus douce comme la cire en pâte peut être idéale. Le coefficient du bois ciré sur neige sèche est remarquablement bas : 0,04. (Plus le nombre est proche de zéro, plus il est glissant. À titre de comparaison, le coefficient pour la glace contre la glace est d'environ 0,03.) Je ne peux qu'imaginer à quel point le nombre pourrait être bas pour un traîneau pour enfants en plastique.

Assaisonnement tout usage Adobo

Un autre ingrédient spécial qui est également apparu sur le fond des traîneaux aux championnats nationaux de luge ? Poudre d'oignon.

Certains lugeurs pensent qu'appliquer une poudre fine revient à ajouter de minuscules roulements à billes au fond d'un traîneau. En vérité, un fond légèrement granuleux peut aider à réduire la traînée capillaire dans des conditions chaudes, empêchant toute eau de fonte collante de faire du stop. Vous pouvez voir cela se produire avec des matériaux superhydrophobes tels que les feuilles de lotus, qui sont composées de milliers de minuscules piliers microscopiques. Ces bosses surélevées diminuent les points de contact entre la feuille et une goutte d'eau, garantissant que l'eau s'écoulera simplement. En fait, des dizaines de fabricants de farts de ski tentent de créer des farts qui imitent la nanostructure des feuilles de lotus. C'est ce principe que j'espérais pouvoir réaliser avec de la poudre d'oignon.

Mais quand je ne pouvais pas trouver de poudre d'oignon dans ma cuisine, je me suis tourné vers l'assaisonnement Adobo, qui pourrait aussi bien être le WD-40 de l'assaisonnement. Poulet. Bifteck. Steak de poulet frit. Vous pouvez saupoudrer cette poussière de lutin sur n'importe quoi et c'est justetravaux. Adobo ne contient peut-être pas de poudre d'oignon, mais s'il peut faire croire à des personnes involontaires que je suis un cuisinier talentueux, cela pourrait peut-être exercer une magie similaire sur mes capacités de traîneau. J'ai mouillé le fond de mon traîneau avec un jet d'eau et assaisonné généreusement mon chariot en plastique.

Il a floppé. Quelle qu'en soit la raison, après trois tentatives futiles dans la descente, l'Adobo n'a fait que laisser derrière lui une traînée de neige jaune.

Graisse au bacon

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Avant le Super Bowl 2018, la police de Philadelphie a empêché les fans enragés des Eagles de convertir les lampadaires locaux en barres de singe de taille adulte en frottant les poteaux électriques de la ville avec du fluide hydraulique Bio-Bottle Jack, un lubrifiant respectueux de l'environnement. J'avais faim d'appliquer cette graisse légendaire sur mon traîneau, mais lorsque j'ai appelé des fournisseurs locaux et demandé de l'acheter, ils m'ont tous dit que la livraison prendrait des semaines. Je soupçonnais que la ville de Philadelphie avait englouti le stock de la côte est.

Je me suis donc tourné vers le NFC Championship Game, lorsque la police de Philly a recouvert des poteaux électriques avec Crisco. Heureusement, j'avais une meilleure alternative dans mon réfrigérateur : la graisse de bacon. Quiconque a essayé de se laver les mains avec de la graisse de porc fondue sait qu'ildétestel'eau. En effet, la graisse s'est répandue sur mon traîneau comme du beurre fondu. C'était doux et cireux, et son odeur se mêlait à toutes les autres odeurs sur mes mains - vanille, huile de canola, propulseur d'aérosol, phéromone de cafard potentielle, cire en pâte, assaisonnement pour poulet - pour créer un miasme qui dépasse mes capacités à décrire. J'ai peut-être léché mes doigts ou pas. Je l'ai peut-être regretté ou pas.

À cette époque, une mère et un petit enfant ont commencé à marcher vers la colline. Je leur ai fait signe. Ils s'arrêtèrent et me regardèrent bouche bée, cet adulte échevelé assis seul sur une colline de neige brune et jaune, entouré de bouteilles abandonnées de WD-40 et d'assaisonnements tout usage, frottant vigoureusement une graisse étrange au fond d'un traîneau fluorescent construit pour petits enfants. La mère a attrapé la main de son enfant et s'est précipitée dans la direction opposée.

En tous cas! Graisse de bacon cadencé à 17 miles par heure.

Peut-être que j'ai appliqué la graisse trop épaisse. Selon Lind et Sanders, une application de fart de course doit avoir une épaisseur comprise entre 0,005 et 0,02 millimètre : 'Si ces couches de fart finales étaient plus épaisses, elles seraient plus susceptibles de ramasser la saleté de la surface de la neige, ce qui, comme nous ont vu, augmenterait la friction.

En d'autres termes, il existe une chose telle que trop de lubrifiant. Lorsque j'ai poli la graisse de bacon avec une serviette en tissu, j'ai atteint 19 milles à l'heure.

Conseils pour votre trajet

Mes expériences en traîneau n'étaient pas exactement scientifiquement rigoureuses. Ils n'étaient pas correctement contrôlés. Mon traîneau n'a jamais pris le même itinéraire en bas de la colline. Le nombre de variables confusionnelles qui auraient pu fausser chaque résultat est, eh bien, confondant.

Mais les résultats font écho aux conseils des experts : si vous le pouvez, faites du traîneau à des températures autour de 32 °F, lorsque l'eau de fonte a une épaisseur optimale. Évitez la tentation de la neige fraîchement tombée et attendez que ces flocons de neige pointus soient lissés en un chemin de luge poli. Si vous avez un traîneau en bois, poncez-le. (Selon Cox, 'Ceux qui vont le plus vite [aux championnats nationaux de luge] sont poncés avant d'y mettre de la cire, poncés avec un papier très, très fin, peut-être un grain de 1500.') Si vous le pouvez, choisissez un intérieur tube sur un traîneau en plastique. Dans un 2009Journal des traumatismesétude intitulée « Sledding : À quelle vitesse peuvent-ils aller ? » les chercheurs ont découvert que les chambres à air se déplacent en moyenne 2 mph plus rapidement que le plastique.

Si vous devez utiliser du plastique, optez pour le polyéthylène. C'est hydrophobe et pas cher. Selon le glaciologue Samuel Colbeck, le polyéthylène est « dur, très élastique, peut être lissé et imprimé de différents motifs, peut être rendu poreux, peut être facilement recouvert de cires, n'adhère pas facilement à la glace et a un [coefficient de friction ] qui n'est pas fortement affecté par la contamination de surface » [PDF]. Enfin, enduisez votre luge d'un fart hydrophobe : un fart de ski fluorocarboné est optimal, mais les bricoleurs peuvent toujours garder une bougie dans leur poche.

Apportez également Adobo. Cela ne rendra pas votre traîneau plus rapide, mais cela laissera une traînée de neige jaune vif, garantissant que vous aurez la collinetoutà toi.

Pour en savoir plus sur la physique des sports de neige, Trini Radio recommande le livre remarquable et faisant autorité de David Lind et Scott P. SandersLa physique du ski.