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Como fazer um trenó andar mais rápido, de acordo com a ciência

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Portanto, você precisa de velocidade.PróximoRapidez. Você já escolheu um declive íngreme e simplificou seu formulário. Talvez você esteja usando um traje de corrida de luge colante ao corpo e raspou a cabeça. Talvez você tenha feito a barbatudo- quando você está lutando contra a resistência do ar, não pode deixar nada ao acaso.

Vamos supor que você riscou tudo isso da sua lista de tarefas e agora deseja reduzir o atrito entre o trenó e o solo. Em outras palavras, você é Clark Griswolding esse otário e precisa de um lubrificante sólido para tobogã.

A ciência pode ajudá-lo a ir mais rápido? Sim pode.


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Tribologia e Arrasto Capilar

A ciência do atrito e da lubrificação - o que é chamado de tribologia - tem se concentrado muito na neve e no gelo: a pesquisa é avaliada por pesquisadores de avalanches, fabricantes de automóveis e pneus e a indústria de esportes de inverno de US $ 20 bilhões dos Estados Unidos. O consenso? Você precisa explorar as propriedades de 'lubrificação com água derretida'.

Quando os trenós descem uma colina, eles não estão viajando sobre neve pura - eles estão deslizando sobre uma camada microscopicamente fina de água derretida. Essa água, criada pela fricção do trenó em movimento, é o seu lubrificante principal. De acordo com pesquisadores [PDF] da empresa de esqui Swix, a camada ideal de degelo tem 50 moléculas de espessura e ocorre em torno de 32 ° F. Qualquer coisa mais quente produzirá um excesso de água derretida que pode grudar no seu trenó. Esse processo, chamado de arrasto capilar, diminui as velocidades.

A neve extremamente fria não é melhor. Quando o mercúrio cai abaixo de 14 ° F, é difícil encontrar uma camada significativa de água derretida lubrificante. 'Quando está tão frio, a camada de líquido não se forma sem uma quantidade excessiva de fricção', Kenneth Libbrecht, físico da Caltech e especialista em floco de neve (que também atuou como consultor de floco de neve no Disney'sCongeladas), diz a Rádio Trini. Nessas condições, a camada de água derretida pode ser tão fina quanto uma única molécula de H20, fazendo com que seu trenó arranhe as asperezas ou arestas da neve compactada. Você também pode tentar descer uma duna de areia [PDF].

A menos que você seja o Winter Warlock ou o governo chinês, provavelmente não pode controlar o clima - mas pode controlar como se prepara para isso. A pesquisa mostra que, quando está úmido e quente, um trenó de fundo áspero gravado com um padrão raso da frente para trás pode ser útil. O padrão fornece uma área de superfície menor para as moléculas de água agarrarem, diminuindo o arrasto capilar.

Em temperaturas mais frias, quando os flocos de neve estão mais nítidos e duros, é importante tornar o fundo do seu trenó mais duro para que você possa arar sobre quaisquer asperezas que, de outra forma, 'agarrariam' o seu tobogã e o atrasariam. Portanto, cubra a parte inferior do seu trenó com uma substância dura e lisa, como uma cera de esqui de hidrocarboneto sintético.

Mas, não importa a temperatura, a melhor maneira de deslizar sobre a camada de água derretida é lubrificar o fundo do seu trenó com materiais hidrofóbicos, substâncias como graxa, óleo e cera que têm literalmente 'medo de água'. Depois de consultar os especialistas, testei vários lubrificantes hidrofóbicos - e encontrei todos eles em minha casa.

Um homem, um trenó e seis lubrificantes

Nosso experimento ocorreu na colina pública de trenó em Woodstock, Nova York, encravada abaixo do sopé das montanhas Catskill. O termômetro marcava 29 ° F - firmemente na zona Cachinhos Dourados não muito quente e não muito fria - e minha mochila estava cheia de materiais hidrofóbicos do dia-a-dia: uma vela de cera de US $ 0,98 do Walmart, WD-40, spray de cozinha PAM, uma cera de pasta de madeira dura, Adobo All-Purpose Seasoning e bacon graxa.

Meu veículo? Um trenó de plástico azul esverdeado de US $ 11 que claramente se destinava ao transporte de crianças pequenas.

A inclinação aqui era suave, mas a neve não. Era velho, duro e duro. Mais tarde, perguntei a Libbrecht - que classificou 35 tipos diferentes de flocos de neve ('a maioria deles se parece com areia, apenas pequenos globos') - como essa superfície é propícia para uma boa velocidade de trenó. Ele explicou que a forma dos flocos de neve muda rapidamente ao atingir o solo, tornando-se mais esféricos e lisos à medida que são compactados pelo vento, sol e outros trenós. Em outras palavras: como as pessoas, a neve fica mais arredondada com o tempo.

Esta é uma ótima notícia para a velocidade, mas não tão boa para a direção. No meu primeiro teste seco - meu controle - minha velocidade média era de aproximadamente 20 km / h. Na descida, completei três piruetas e gritei por ajuda pelo menos uma vez.

Vela de cera

iStock

Meu ritmo de 12,6 mph estava muito longe do recorde mundial de corrida de trenó mais rápida (133,5 mph), então me voltei para a cera.

Os corredores de neve em declive usam cera há mais de um século. Antes da década de 1940, as pessoas experimentaram uma grande variedade de substâncias naturais para tornar o fundo do trenó liso, incluindo cera de abelha, óleo de baleia, resina de pinheiro e sebo. Em meados do século, os tobogãs esfregavam seus trenós com papel encerado ou uma vela útil. As velas contêm cera de parafina, uma mistura de hidrocarbonetos saturados de cadeia linear que contém de 20 a 40 átomos de carbono.

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De acordo com o livroA Física do Esqui, de David Lind e Scott P. Sanders, os hidrocarbonetos de cadeia direta são o caminho a percorrer. Essas moléculas se orientam em estruturas paralelas e têm fortes ligações intermoleculares, o que mantém a cera dura em temperaturas frias - proporcionando melhores propriedades de deslizamento. As moléculas também são apolares e não interagem gentilmente com moléculas polares, como a água. (Hidrocarbonetos mais grossos, no entanto, que têm cadeias curtas ramificando-se da cadeia primária, são mais macios e 'mais adequados para ... ceras projetadas para aumentar a tração ou agarrar', escrevem Lind e Sanders.)

A cera de parafina também é relativamente dura e deve funcionar bem sobre as asperezas da neve, desde que a neve não seja terrivelmente fria. E acontece: por dois minutos, esfreguei a vela fria na base do trenó com um movimento circular. Assim que minha bunda atingiu o trenó, eu estava navegando. Eu bati aproximadamente 17,98 mph.

WD-40

De acordo com uma lista abrangente, o WD-40 tem mais de 2.000 usos: pode remover chiclete dos assentos do ônibus escolar, lubrificar as rodas das caixas de tuba e até mesmo evitar que os cachorros mastiguem linhas telefônicas. Também na lista: 'Lubrifica trenós e tobogãs' [PDF].

Isso não é surpresa:WDsignifica 'deslocamento de água'. E embora a fórmula seja tecnicamente secreta, os detetives daWIREDusou cromatografia de gás em 2009 para revelar a magia negra dentro. Sua conclusão: alcanos. Alcanos são hidrocarbonetos repelentes de água que se recusam a se ligar ao hidrogênio ou ao oxigênio. Em outras palavras, exatamente o que preciso embaixo do meu trenó.

Funcionou: depois de um spray nocivo de 10 segundos, o WD-40 teve o mesmo tempo que a cera de vela. Mas, ufa, minha viagem cheirava mal. Não só isso, mas aprendi mais tarde que alguns alcanos são a chave para a capacidade da barata alemã de produzir feromônios destinados a atrair parceiros. Então eu tinha que esperar.

Spray de cozinha antiaderente PAM Original

Se eu fosse um cientista, estaria testando todos esses materiais com o objetivo de determinar seu coeficiente de atrito, um valor que quantifica a quantidade de atrito entre duas superfícies. Pode ser expresso pela seguinte fórmula, que é, apropriadamente, morrendo de vontade de soletrar a palavraDiversão.

Lucy Quintanilla, Trini Radio

Você pode medir a fricção cinética de materiais com um instrumento chamado oscilógrafo. Infelizmente, trabalho para uma empresa de mídia. Não temos oscilógrafos.

No entanto, gostaria de ter um para esta parte do experimento. Porque, embora o coeficiente de fricção para essa neve raspadora fosse certamente baixo, não posso falar em nome do meu trenó com óleo de canola. Deveria ter um baixo coeficiente de fricção, mas o spray 'No-stick' manteve seu nome de todas as maneiras erradas - por falhar em grudar no fundo do meu trenó. Ele desapareceu quase imediatamente, tornando meu tempo de PAM tão lento quanto meu controle.

Cera em pasta de madeira dura

A cera em pasta é o lubrificante dos campeões. Basta perguntar a Tom Cox, um ex-campeão do Campeonato Nacional de Tobogã dos EUA, realizado anualmente em Camden, Maine. Cox também é o inspetor chefe do tobogã, garantindo que os 400 trenós de madeira que correm todos os anos atendam às diretrizes da competição.

Ele já viu todo tipo de substância espalhada no fundo dos trenós, desde cera cruzando o país a limão Pledge. 'Todo mundo faz diferente, e eu não posso te dizer qual é o segredo', disse Cox à Rádio Trini. 'Ganhei a coisa toda em 2003 e usamos cera em pasta, cera para piso de madeira, mas não sei se essa é a resposta, porque não ganhei desde então.'

Cox pode estar preso em uma rotina competitiva, mas ele é um campeão comprovado, e eu confio em seus métodos. Dito isso, aprendi rapidamente que a cera em pasta é melhor espalhada em madeira, não em plástico. Usando minhas mãos, espalhei a cera macia; era irregular e irregular, como manteiga de amendoim seca. Atraí olhares curiosos de transeuntes que talvez pensassem que eu estava devorando um sanduíche espalhado no meu trenó. Ah, e deixou uma trilha marrom grossa descendo a colina.

Mas quem se importa? Meu trenó atingiu quase 20 milhas por hora.

Em condições como essas, flertando com o ponto de derretimento da neve, uma cera mais macia como cera em pasta pode ser ideal. O coeficiente para madeira encerada em neve seca é notavelmente baixo: 0,04. (Quanto mais próximo o número estiver de zero, mais escorregadio ele é. Para comparação, o coeficiente de gelo contra gelo é de cerca de 0,03.) Só posso imaginar o quão baixo o número pode ser para um trenó infantil de plástico.

Adobo tempero multifuncional

Outro ingrediente especial que também apareceu na parte inferior dos trenós no Campeonato Nacional de Tobogã? Pó de cebola.

Alguns trenós acham que aplicar um pó fino é como adicionar minúsculos rolamentos de esferas ao fundo de um trenó. Na verdade, um fundo levemente granulado pode ajudar a reduzir o arrasto capilar em condições quentes, impedindo que qualquer água derretida pegajosa pegue uma carona. Você pode ver isso acontecendo com materiais super-hidrofóbicos, como as folhas de lótus, que são compostas por milhares de minúsculos pilares microscópicos. Essas protuberâncias diminuem os pontos de contato entre a folha e uma gota d'água, garantindo que a água simplesmente saia. Na verdade, dezenas de fabricantes de cera de esqui estão tentando criar ceras que imitem a nanoestrutura das folhas de lótus. É esse princípio que eu esperava conseguir com a cebola em pó.

Mas quando não consegui encontrar cebola em pó na minha cozinha, recorri ao tempero Adobo, que pode muito bem ser o WD-40 do tempero. Frango. Bife. Bife de frango frito. Você pode espalhar esse pó de pixie em qualquer coisa etrabalho. O Adobo pode não conter cebola em pó, mas se pode fazer as pessoas inconscientes acreditarem que sou um cozinheiro talentoso, talvez possa fazer uma mágica semelhante em minhas habilidades de trenó. Molhei o fundo do meu trenó com uma borrifada de água e temperei generosamente minha carruagem de plástico.

Ele fracassou. Seja qual for o motivo, após três tentativas inúteis de descer a colina, tudo o que o Adobo fez foi deixar para trás uma trilha brilhante de neve amarela.

Graxa de bacon

iStock

Antes do Super Bowl de 2018, a polícia da Filadélfia impediu que fãs raivosos dos Eagles convertessem postes de rua locais em barras de macacos para adultos, esfregando os postes de serviços da cidade com Bio-Bottle Jack Hydraulic Fluid, um lubrificante ecologicamente correto. Eu estava ansioso para aplicar essa gosma lendária no meu trenó, mas quando liguei para os fornecedores locais e pedi para comprá-lo, todos eles me disseram que a entrega levaria semanas. Suspeitei que a cidade de Filadélfia havia engolido o estoque da costa leste.

Então, voltei para o NFC Championship Game, quando a polícia de Philly espalhou Crisco em postes. Felizmente, eu tinha uma alternativa melhor na minha geladeira: gordura de bacon. Qualquer pessoa que já tentou lavar as mãos de gordura de porco fundida sabe queodeiaagua. Na verdade, a gordura se espalhou em meu trenó como manteiga derretida. Era macio e ceroso, e seu cheiro se misturava a todos os outros aromas em minhas mãos - baunilha, óleo de canola, propelente de aerossol, potencial feromônio de barata, cera em pasta, tempero de frango - para criar um miasma que está além da minha capacidade de descrever. Posso ou não ter lambido meus dedos. Posso ou não ter me arrependido.

Por volta dessa época, uma mãe e uma criança pequena começaram a caminhar em direção à colina. Eu acenei para eles. Eles pararam e ficaram boquiabertos para mim, este homem adulto desgrenhado sentado sozinho em uma colina de neve marrom e amarela, cercado por garrafas descartadas de WD-40 e tempero multiuso, esfregando vigorosamente uma estranha graxa no fundo de um trenó fluorescente construído para crianças pequenas. A mãe agarrou a mão do filho e correu na direção oposta.

Qualquer maneira! A graxa de bacon atingiu 17 milhas por hora.

Talvez eu apliquei a graxa muito espessa. De acordo com Lind e Sanders, uma aplicação de cera em execução deve ter entre 0,005 e 0,02 milímetros de espessura: 'Se essas camadas finais de cera fossem mais espessas, seria mais provável que pegassem sujeira da superfície da neve, o que, como nós ter visto, aumentaria o atrito. '

Em outras palavras, existe muito lubrificante. Quando polido a gordura do bacon com uma toalha de pano, cheguei a 30 quilômetros por hora.

Dicas para seu passeio

Meus experimentos com trenós não eram exatamente rigorosos do ponto de vista científico. Eles não foram devidamente controlados. Meu trenó nunca fez o mesmo caminho colina abaixo. O número de variáveis ​​de confusão que poderiam ter distorcido cada resultado é, bem, confuso.

Mas os resultados ecoam o conselho dos especialistas: se você puder, faça o trenó em temperaturas em torno de 32 ° F, quando a água derretida tiver uma espessura ideal. Evite a tentação de neve recém-caída e espere que os flocos de neve afiados sejam alisados ​​em um caminho de trenó polido. Se você tiver um trenó de madeira, lixe-o. (De acordo com Cox, 'os que vão mais rápido [nos Campeonatos Nacionais de Tobogã] são lixados antes de colocar cera, lixados com um papel muito, muito fino, talvez 1.500.') Se puder, escolha um interior tubo sobre um trenó de plástico. Em 2009Jornal do Traumaestudo intitulado 'Sledding: Quão rápido eles podem ir?' os pesquisadores descobriram que as câmaras de ar viajam em média 2 mph mais rápido que o plástico.

Se for necessário usar plástico, opte pelo polietileno. É hidrofóbico e barato. De acordo com o glaciologista Samuel Colbeck, o polietileno é 'duro, altamente elástico, pode ser alisado e impresso com diferentes padrões, pode ser feito poroso, pode ser facilmente revestido com ceras, não adere prontamente ao gelo e tem um coeficiente de fricção ] que não é muito afetado pela contaminação da superfície '[PDF]. Por último, cubra seu trenó com uma cera hidrofóbica: uma cera de fluorocarbono para esqui é ideal, mas quem faz você mesmo sempre pode manter uma vela no bolso.

Além disso, traga Adobo. Não tornará seu trenó mais rápido, mas deixará um rastro de neve amarela brilhante, garantindo que você terá o morrotudopara você mesmo.

Para mais informações sobre a física dos esportes na neve, Trini Radio recomenda o livro notável e confiável de David Lind e Scott P. SandersA Física do Esqui.