Zakaj smuči tako lepo drsijo po snegu in zakaj vam tako nerodno spodrsne na ledu? Morda se sprašujete, kako kar najhitreje smučati. V iskanju odgovorov na ta vprašanja se bomo podali v zanimivi svet fizike in kemije.
Priprava na tekmo, na startu sta zajec in slon. Oba na enakih smučeh se spustita v dolino po vpadnici (smuk naravnost). Kateri bo hitrejši? Marsikdo bo odgovoril, da slon, ker ima večjo težo. Ampak če zanemarimo zračni upor, bosta smučala enako hitro. Slon ima sicer res večjo težo, a tudi težje pospeši, in ta dva učinka se izenačita.
To je dokazal že Galilej s poskusom v Pisi. Iz stolpa naj bi vrgel dve različno težki, vendar po prostornini in obliki enaki krogli in na tleh sta pristali istočasno. Zgodovinarji sicer menijo, da je Galilej napravil le miselni poskus, v resnici je proučeval gibanje teles na klančini. Ampak tudi s tem poskusom je lahko zaključil, da vsi predmeti padajo z enakim pospeškom. Na klancu in v prostem padu veljajo enaki zakoni gravitacije. Slon in zajec bi tako morala prispeti na konec klanca istočasno.
Ima težji smučar prednost?
Zaključek velja tudi, če upoštevamo trenje med smučko in snegom; tudi v tem primeru se sila povečuje sorazmerno z maso in tako ostane pri enakem (za oba manjšem) pospešku. Pa vendar nekateri morda iz izkušenj veste, da imajo težji kolesarji ali smučarji prednost pri vožnji po klancu navzdol.
Če bi upoštevali le gravitacijo in trenje, to ne bi veljalo, igra pa pri kolesarjenju ali smučanju zelo pomembno vlogo zračni upor, saj smo po hribu navzdol v smukaški preži vedno hitrejši. Težji smučar je sicer večji in ima večji upor zraka, a pri računanju pospeška je v členu, ki predstavlja zračni upor, količnik čelni presek/volumen. Če si smučarja predstavljamo kot kroglo, je ta količnik obratno sorazmeren z radijem. Čim večji je smučar (večji radij), tem manjši je ta prispevek in večji je pospešek po klancu navzdol. Tako je težji smučar v rahli prednosti.
A vendar med tekmovalci ne vidimo le težkih smučarjev in smučark. Lažji smučarji lahko pripomorejo k aerodinamičnosti s tem, da se postavijo v bolj aerodinamično smukaško prežo. Pomaga jim tudi odzivnost mišic, ki so pri lažjih smučarjih hitrejše. Še cela vrsta razlogov je, da sumo borci ne tekmujejo v smučanju.
Tudi ptice roparice lovijo plen tako, da potujejo po cikloidi. FOTO: Shutterstock
Najhitrejša pot ni najkrajša
Eden glavnih dejavnikov, ki smučarja kar se da hitro pripelje v cilj, je pravilna izbira smučarske linije. Izkaže se, da najhitrejša pot med dvojimi vratci ni po najkrajši razdalji, to je po ravni črti med enimi in drugimi vratci. Hitrejši boste, če se boste najprej spustili po hribu malo navzdol in šele potem zavili polkrožno proti vratcem. Ta oblika poti se imenuje cikloida, problem pa je v strokovni literaturi opisan tudi kot problem brahistohrone. In čeprav mravlje tega izraza še zdaleč ne poznajo, uporabljajo prav takšno pot, ko potujejo po valovitem terenu. Tudi ptice roparice lovijo plen tako, da potujejo po cikloidi. Narava tako sama rešuje fizikalne probleme.
Smučanje po cikloidi velja za ena vratca in na enakomerno nagnjenem pobočju. Mogoče je izračunati tudi idealno linijo za združevanje več zavojev na grbinastem terenu, vendar bolj kot sprotno reševanje zapletenih enačb smučarjem pomagajo izkušnje na snegu in veliko treninga. Na splošno pa za vse, tudi rekreativne smučarje, velja, da bodo najhitrejši, ko najprej pridobijo hitrost s spustom. Ampak previdno, poškodbe se za vaše znanje fizike ne bodo zmenile.
–––
Dr. Maruša Bradač je raziskovalka in profesorica fizike na kalifornijski univerzi v Davisu.
