UvA-onderzoekers weten beter waarom we kunnen schaatsen op ijs
Dit weekend vindt het EK Afstanden plaats in ijsstadion Thialf, maar hoewel schaatsers steeds sneller worden is onduidelijk waarom we eigenlijk kunnen glijden op ijs. UvA’er Daniel Bonn doet hier met zijn onderzoeksgroep onderzoek naar. ‘Iedereen zegt altijd dat een waterlaagje op ijs ervoor zorgt dat we kunnen schaatsen. Dat is niet zo.’
De complete fysica achter het schaatsen is nog onbekend, maar natuurkunde-experimenten geven steeds iets meer informatie. Heel lang geleden deed de VU onderzoek met behulp van sensoren op schaatsen. ‘Dit waren ingewikkelde experimenten,’ vertelt UvA-natuurkundige Daniel Bonn. ‘Die leverden de nuttige informatie op dat de optimumtemperatuur voor een schaatsbaan -7 graden Celsius is, maar geen verklaring waarom dit zo is.’
Waterlaagje helpt niet
Waarom is ijs dan glad genoeg zodat we erop kunnen schaatsen? ‘Iedereen zegt altijd dat een waterlaagje op ijs ervoor zorgt dat we kunnen schaatsen,’ aldus Bonn. Hij doet met zijn onderzoeksgroep onderzoek naar frictie, naar wrijving, die optreedt op ijs als je bijvoorbeeld gaat schaatsen. ‘Omdat andere experimenten suggereerden dat er eerst bij -70 graden Celsius en daarna bij -20 graden Celsius ineens water op het ijs ontstaat, hebben we de frictie bij verschillende temperaturen gemeten. Bij lage temperaturen is het simpelweg niet mogelijk om te schaatsen: de frictie is te hoog. Daarna neemt de frictie snel af, maar er gebeurt niets speciaals bij –70 en –20 graden Celcius.’ Het waterlaagje heeft dus niet veel met het schaatsen te maken, concludeerde Bonn.
‘Als ik hier op mijn kantoorvloer een laagje water aanbreng, dan kan ik ook niet schaatsen, hoewel de mechanische eigenschappen van die vloer en van ijs helemaal niet zo heel anders zijn. Het moet dus met iets anders te maken hebben.’
‘Eigenlijk zien we in onze experimenten hetzelfde als bij die oude experimenten van de VU: schaatsen bij -10 graden Celsius werkt heel goed. De ijsmeester van Thialf weet dat ook.’ Maar als de temperatuur hoger wordt dan -10 graden Celsius, gaat de hoeveelheid wrijving omhoog. ‘Dat zie je als je op relatief warm ijs probeert te schaatsen; je laat dan eerder sporen achter. Eigenlijk ben je dan aan het ploegen door het ijs en niet aan het glijden over het ijs. Dit wordt erger als het ijs zachter wordt en verklaart dus de optimale schaatstemperatuur.’
Mobiele moleculen
Het is dus in ieder geval duidelijk dat goed ijs afhankelijk is van de temperatuur. ‘Net zoals de beweging van moleculen afhankelijk is van temperatuur,’ legt Bonn uit. ‘Moleculen gaan meer bewegen als de temperatuur hoger wordt. Dit noem je diffusie. Bij schaatsen gaat het waarschijnlijk ook om de mobiliteit van de moleculen op het ijsoppervlak. Het laatste laagje moleculen van ijs beweegt snel over de andere moleculen van het ijs heen en hun snelheid is sterk afhankelijk van de temperatuur, precies zoals de frictie. We denken dat dit laatste laagje moleculen schaatsen mogelijk maakt. Denk bijvoorbeeld weer aan de vloer van mijn kantoor. Als ik die met kogellager balletjes bedek, dan wordt die vloer wel degelijk glad.’
Meer wrijving maakt glijden moeilijk
De precieze mechanismen hierachter gaat Bonns groep nog verder onderzoeken. Daarnaast bekijkt de groep hoe verschillende soorten schaatsen, verschillende ruwheden van schaatsoppervlakken en bepaalde materialen invloed hebben op het schaatsen. ‘Hiervoor verbinden we een stukje van een Vikingschaats met een mechanisch apparaat. We meten de frictie die ontstaat als het over een ijsoppervlak beweegt. Je meet dan de frictiekracht die daarbij tot stand komt. Ook kun je andere soorten materiaal dan dat van de huidige schaatsen testen, en de frictie meten. Het kan zijn dat we nog iets tegenkomen waarmee je beter glijdt. Misschien kunnen we Olympische schaatsers nog aan een betere schaats helpen.’
Verder vindt Bonn het interessant om te bekijken wat er precies gebeurt als je schaatsen slijpt. ‘Dat doe je door de ruwheid van het materiaal waar onze “schaats” van gemaakt is te veranderen. Hoe ruwer het materiaal, hoe moeilijker het schaatsen wordt. Wij denken dat hier de sleutel ligt voor de theoretische verklaring van het schaatsen.’
