Fyzika v curlingu hraničí s alchymií. Některým jevům nerozumí ani renomovaní fyzici

V Pekingu probíhají zimní olympijské hry. Jedním ze sportů, kterému se i díky výkonům manželů Paulových dostává velké pozornosti, je curling. Pojďme si objasnit některé základní principy, na kterých tento sport vlastně stojí.

Základní pravidla

Curling je sport, při kterém hráči posílají kameny po ledu k cílové ploše, která je rozdělena do čtyř soustředných kruhů. Hrají proti sobě vždy dva týmy po čtyřech hráčích (v disciplíně smíšených dvojic má jeden tým pouze dva hráče), které se střídají.

Klepněte pro větší obrázek
Kamen není jen obrazné pojmenování jako u jiných sportů a her.
Tyhle kameny jsou ze skutečné žuly.

Každý tým má osm kamenů, každý hráč posílá do hry dva kameny. Cílem je nasbírat co nejvyšší skóre. Body se získávají za kameny ležící nejblíže středu kruhů. Utkání se hraje na osm či deset kol, na konci každého kola se počítají získané body a celá hra trvá zhruba 2,5 hodiny.

Kromě kamenů jsou důležitou součástí hry také košťata a speciální obuv, která má jednu podrážku protiskluzovou a druhou klouzavou (nejčastěji potaženou teflonem), což umožňuje plynulý pohyb po ledě. Dva hráči z týmu, který je právě na řadě, umetají pomocí košťat prostor před kamenem, čímž prodlužují jeho dráhu a ovlivňují směr.

Fyzikální alchymie

Je evidentní, že kromě strategie a týmové spolupráce hraje v tomto sportu velkou roli fyzika. Ta rozhoduje o tom, jakým směrem se vyslaný kámen vydá, kde zastaví a jakým směrem posune vlastní nebo soupeřovy kameny.

Není proto překvapením, že se curling dostal do centra pozornosti fyziků, z nichž někteří ho i rekreačně hrají. Blog Scientific American uvádí jako příklad 60. narozeniny teoretického fyzika z Caltechu Marka Wise, jehož bývalí a současní studenti připravili na jeho počest přátelské curlingové utkání.

Autorka vědeckých knih Jennifer Ouellette konstatuje: „Stejně jako v jiných sportech, i v curlingu je do hry zapojeno velké množství fyzikálních zákonitostí.“ Jako první můžeme zmínit setrvačnost. Curlingové kameny jsou poměrně těžké (každý váží mezi 17,24 a 19,96 kg), takže jakmile získají určitou hybnost, mohou se dostat poměrně daleko, než se vytvoří dostatečné tření, které je zpomalí až k zastavení. Čím lépe hráči ovládají zákonitosti tření, tím spíše mohou kontrolovat směr pohybu kamene po ledě a umístit ho přesně tam, kde ho chtějí mít.

Názorně vysvětlená pravidla curlingu:

Samotný led je speciální – jiný, než například při krasobruslení či hokeji. Na jeho povrch se stříká voda a zmrzlé kapky vytvoří oblázkový povrch, který snižuje tření. Hmotnost kamene je ve srovnání s běžným rovným ledem soustředěna na velmi malou plochu.

Fyzika kamenů

Kameny jsou vyrobeny především ze žuly vytěžené ve Skotsku. Tento materiál odpuzuje vodu, má vysokou lomovou houževnatost a při srážkách se chová téměř dokonale pružně, což znamená, že kameny po vzájemném nárazu dále kloužou. Jeden curlingový kámen stojí kolem 1 000 dolarů (cca 21 200 Kč) a jeho životnost může být až sto let.

Vědci se již mnoho let snaží popsat fyzikální podstatu mechanismu, který vytváří obloukovou dráhu curlingového kamene. Ukazuje se, že je obtížné popsat síly působící na kámen, zejména kvůli paradoxu, že větší rotace neznamená větší zakřivení dráhy. Obvykle tři až pět otáček kamene na dobrém ledě způsobí, že se kámen při jízdě po délce ledové plochy posune o 3 až 4 metry do strany.

Klepněte pro větší obrázek Kameny jsou vyrobeny především ze žuly vytěžené ve Skotsku

Spodní část curlingového kamene připomíná dno pivní láhve. Je tedy konkávní, nikoliv ploché, takže při klouzání se ledu dotýká pouze úzký prstenec. Zkuste vzít láhev od piva a pošlete ji po vlhkém stole – pokud se bude otáčet doprava ve směru hodinových ručiček, bude se její dráha stáčet doleva; jestliže se bude otáčet doleva, bude se dráha stáčet doprava. Je to proto, že láhev se při pohybu vpřed také mírně naklání dopředu, čímž se zvyšuje tlak náběžné hrany.

Větší tlak znamená větší tření. Když se náběžná hrana otáčí doprava, naráží na větší odpor než zadní hrana, která se otáčí doleva. Proto se láhev vydá cestou nejmenšího odporu a bude mít tendence se při pohybu stáčet opačným směrem.

Je ale zvláštní, že curlingový kámen se na ledě chová přesně opačně: pokud se otáčí doprava, stáčí se jeho dráha doprava a naopak. Dřívější pokusy o vysvětlení chování curlingového kamene stavěly v podstatě na principu obráceného mechanismu pivní láhve. Jestliže se láhev otáčející se po směru hodinových ručiček stáčí doleva, protože vpředu je větší tření než vzadu, kámen otáčející se stejným způsobem se musí stáčet doprava, protože vzadu je větší tření, než vpředu.

Pod pojmem „asymetrické tření“ se objevilo několik teorií, včetně té, kterou vypracoval Mark Shegelski z Univerzity Severní Britské Kolumbie. Je přesvědčen, že podobně jako láhev od piva se curlingový kámen při klouzání mírně naklání dopředu. Tento tlak zahřívá led a vytváří tenký film vody, který působí jako mazivo, což snižuje tření vpředu, a naopak ho zvyšuje vzadu.

Tento model se stal poměrně známým a vládl několik let – nutno dodat, že především kvůli nedostatku konkurence. Už v té době však kolem něj panovala řada nejasností – například jak je možné, že stočení dráhy zůstává v podstatě stejné, bez ohledu na to, zda se kámen otočí dvakrát nebo dvacetkrát?

Vědci v opozici

Skupina vědců ze švédské Uppsalské univerzity pod vedením Haralda Nyberga se Shegelského závěry nesouhlasila. V odborném časopise Wear publikovali výsledky své studie a tvrdí, že kameny se stáčejí kvůli asymetrickému tření, které vytvářejí drobné mikroskopické škrábance na ledě.

Jejich vysvětlení zní poměrně logicky: „Jak kámen klouže po ledu, drsnost na jeho přední polovině vytváří v ledu malé škrábance. Rotace kamene způsobí, že se škrábance mírně odchylují od směru klouzání. Když drsné výstupky na zadní polovině projedou stejnou oblastí, překříží škrábance zepředu v malém úhlu. Při křížení těchto škrábanců budou mít tendenci je následovat. Právě tento mechanismus vytváří boční sílu potřebnou ke stočení.“. Při následných experimentech experti zjistili, že různými způsoby poškrábání ledu mohou změnit trajektorii klouzajících kamenů, a to i těch, které nerotují.

Klepněte pro větší obrázek Fyzikálními zákony v curlingu se zabývala řada vědců

Fyzikálními zákony v curlingu se zabýval také John L. Bradley z irské University College Cork, který se zaměřil především na roli košťat, respektive zametání cestičky před kamenem. Hned v úvodu konstatuje, že zametání ledu před kamenem může teoreticky změnit rozhraní mezi kamenem a ledem dvěma možnými mechanismy: krátkodobým zvýšením teploty ledu a vyhlazením ledu odstraněním hrbolků nebo nečistot.

Bradley uvádí, že pod přední stranou kamene dochází ke generování tepla a tím zvýšení teploty ledu, což způsobuje snížení tření. Kvůli odlišnému koeficientu tření se kámen stáčí doprava nebo doleva – například kámen rotující proti směru hodinových ručiček se stáčí doleva.

Pravda je někde mezi

Shegelski se v roce 2018 spojil s Edwardem Lozowskim – fyzikem a vědcem zabývajícím se na Albertské univerzitě atmosférou – aby tuto hádanku přehodnotili. O několik let dříve Lozowski publikoval práce o vědeckých poznatcích o bobech a rychlobruslení. „Ed je prostě kouzelník na fyziku ledu,“ uvedl tehdy Shegelski.

Oba odbornicí společně vypracovali vylepšené vysvětlení, které představili v odborném časopise Cold Regions Science and Technology. Říkají mu „model pivot-slide“. Lozowski ho vysvětlil tak, že držel hřeben a pomalu přejížděl prstem po jeho zubech. Všiml si, že špička jeho prstu přilne ke každému zubu na tak dlouho, dokud není síla dostatečně velká na to, aby se zub uvolnil a vrátil se zpět na své místo.

Stejná síla způsobí, že když se zasekne kotoučová pila, vyskočí a pokusí se otočit kolem překážky. Přesně to se děje s curlingovým kamenem. „Pokaždé, když náběžná hrana narazí na hrbolek, zachytí se o něj,“ vysvětluje Lozowski. „A protože led je pružný, hrbolek se odkloní, pak se vrátí zpět a kámen se pohybuje dál, přičemž se při odklonu otáčí.“

Nyberga to však nepřesvědčilo. „Abych byl upřímný, moc nerozumím tomu, kam tím míří“, řekl po prostudování nových závěrů. Shegelski následně konstatoval: „To, co dělají curlingové kameny, je tak složité, že se musí odehrávat více věcí.“ Dodal, že by ho vůbec nepřekvapilo, kdyby dráhu kamene utvářela řada mechanismů – jeden na začátku skluzu, další uprostřed, a možná ještě jiný ke konci.

A co koště?

Zběsilé zametání malými košťaty pomáhá snížit tření. Během něj dochází ke krátkodobému zahřátí ledu, který následně znovu zamrzne. Smyslem zametání je, aby se kámen méně, nebo naopak více stáčel a dojel dále. Jak moc, nebo jak málo budete zametat, záleží na tom, kde chcete, aby kámen skončil. V tomto směru hraje velkou roli strategie – proto se tomuto sportu někdy přezdívá „šachy na ledě“.

Hráči s košťaty intenzivním zametáním ovlivňují průběh tvorby tepla před kamenem. Zametání vlevo nebo vpravo od kamene může zvýšit, nebo částečně korigovat asymetrii tření, a tím zvýšit, nebo snížit stáčení kamene. Jedna ze zásadních otázek v tomto směru zní: je lepší zametat rychleji, nebo tlačit do ledu větší silou?

Klepněte pro větší obrázek Zběsilé zametání malými košťaty pomáhá snížit tření

Obě strategie ovlivňují tření mezi kamenem a ledem. Kámen se může pohybovat rychlostí okolo 2 m/s a dokáže klouzat až 30 sekund. Logicky se nejrychleji pohybuje v okamžiku vypuštění, pak postupně ztrácí rychlost, až se zcela zastaví.

Zvýšený tlak koštěte na led směrem dolů bude vytvářet více tepla a následně snižovat tření mezi kamenem a ledem. Stejně tak rychlejší zametání rovněž zvýší vytvářené teplo, což způsobí odpovídající snížení tření. Model ukazuje, že zdvojnásobení síly působící směrem dolů zvýší teplo generované koštětem o faktor 2, zatímco zdvojnásobení rychlosti zametání zvýší generované teplo o faktor 1,55.

Cílem zametání je zvýšit teplotu ledu, přičemž k největšímu zvýšení teploty dochází tam, kde se po sobě jdoucí tahy kartáčem překrývají. Obecně lze říci, že rychlejší zametání s cílem několikrát zamést stejný úsek má na snížení tření mezi kameny a ledem větší vliv než vyšší tlak.

Ani fyzika košťat není tak jednoduchá

Vliv zametání se však mění s rychlostí kamene. Pokud se kámen pohybuje rychlostí 2 m/s, bude muset koště těsně před kamenem zametat rychlostí 10 Hz (10krát za sekundu), aby kartáč pokryl stejnou plochu ledu více než jednou. Jelikož je obtížné zametat rychle a zároveň udržet sílu směrem dolů, je rychlost zametání při vyšších rychlostech kamene důležitější než síla.

Se zpomalováním kamene se logicky snižuje rychlost zametání potřebná k tomu, aby hlava koštěte přejela stejnou plochu ledu více než jednou. Zametání je nejúčinnější, když se kámen pohybuje nejpomaleji. Zde bude mít větší vliv větší síla působící směrem dolů než rychlost zametání, protože při takto pomalé rychlosti je snadnější zamést stejnou plochu ledu několikrát.

Jak vidíte, i při sportu, který na televizních obrazovkách působí relativně jednoduše, hraje velmi zásadní roli fyzika. A některé jevy jsou natolik komplikované, že ani vědecké kapacity nedávají jednoznačnou odpověď na všechny otázky.

Diskuze (39) Další článek: Video formát VVC je o krok blíž. Otevře éru 8K filmů a kvalitního 360° videa

Témata článku: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,