In de reeks Olympische vragen laten onderzoekers van de Universiteit Twente zien hoe technologie, data en menselijk gedrag samenkomen in de topsport. De reeks biedt wetenschappelijke duiding bij wat we zien op het Olympische toneel en bij wat dit betekent voor prestaties op het hoogste niveau. In dit verhaal legt UT-onderzoeker Alvaro Marin de natuurkunde uit die het mogelijk maakt om op ijs te schaatsen.
Veel mensen leren op school dezelfde verklaring. Wanneer een schaats op het ijs drukt, laat die druk het ijs een beetje smelten. Er ontstaat een dun laagje water dat bovendien glad is. Dat klinkt logisch, maar blijkt veel te simpel. “Als druksmelten de volledige verklaring was, zouden we nauwelijks kunnen schaatsen”, zegt natuurkundige Alvaro Marin van de Universiteit Twente.
IJs gedraagt zich niet als een normaal materiaal
Schaatsen wordt makkelijker naarmate je sneller gaat. Dat is al ongebruikelijk. En bij extreem lage temperaturen, rond min 40 graden Celsius, wordt schaatsen vrijwel onmogelijk. Smelten onder druk alleen kan geen van beide effecten verklaren.
Het fasediagram van water maakt dit nog duidelijker. Bij de normale temperaturen van een schaatsbaan moet een schaatser al gauw zevenhonderd kilogram wegen om het vloeibare fasegedeelte van het diagram te bereiken en daadwerkelijk druksmelting te zien. Als schaatsen op olympische ijsbanen werkt bij gewone menselijke gewichten, moet er dus iets anders aan de hand zijn.
IJs doorbreekt de gebruikelijke wrijvingsregels
Om te begrijpen wat dat ‘iets anders’ is, helpt het om te kijken hoe wrijving normaal gesproken werkt. In vloeistoffen neemt de wrijving toe met de snelheid. Beweeg je je hand langzaam door water, dan gaat dat gemakkelijk; beweeg je sneller, dan voel je meer weerstand. Bij vaste objecten is glijdende wrijving grotendeels onafhankelijk van snelheid. Bij vaste stoffen is glijdende wrijving meestal vrijwel onafhankelijk van snelheid. Het maakt weinig verschil of je een doos langzaam of snel over de vloer duwt.
Op ijs gebeurt juist het tegenovergestelde: de wrijving neemt af naarmate de snelheid toeneemt. Elke schaatser herkent dat. Vanuit stilstand kost het moeite om op gang te komen, maar eenmaal op snelheid wordt het glijden ineens soepel en licht. “Dat laat zien dat ijs zich raar gedraagt”, zegt Marin. “Het is geen normale vaste stof, en ook geen normale vloeistof.”
De magische nanolaag onder je schaatsen
Een belangrijk deel van de verklaring ligt op een schaal die veel te klein is om te zien. Wanneer een schaats over ijs beweegt, glijdt hij niet simpelweg over een hard oppervlak. Het schaatsijzer verstoort en verbrijzelt de bovenste ijskristallen. Die microscopische fragmenten vormen samen een ultradunne laag boven op het ijs. “Een magische nanolaag,” zoals Marin die noemt. Hoe deze laag precies ontstaat, en in hoeverre hij vast, vloeibaar of iets daartussen is, onderzoeken natuurkundigen nog steeds.
Deze laag is slechts tientallen tot honderden nanometers dik. Het is niet volledig vast en niet volledig vloeibaar, maar iets daartussenin. En cruciaal: hoe sneller de schaats beweegt, hoe meer deze laag zich als een smeermiddel gaat gedragen. Daarom werkt schaatsen zo goed. Hogere snelheden versterken het smeereffect, waardoor de wrijving nog verder wordt verminderd. Schaatsen blijkt een subtiele balans te zijn tussen snelheid, temperatuur en microscopisch materiaalgedrag.
Die balans verklaart ook waarom olympische ijsbanen zo zorgvuldig worden geprepareerd. Het ijs voor kunstschaatsen wordt meestal rond min 3 graden Celsius gehouden. De iets hogere wrijving geeft schaatsers meer controle bij sprongen en landingen.
Voor het langebaanschaatsen ligt de temperatuur iets lager. Dat maakt het ijs sneller, met minder weerstand. Maar kouder betekent niet altijd sneller. Bij zeer lage temperaturen wordt de magische nanolaag te dun of verdwijnt hij helemaal. Het ijs wordt te hard en de wrijving begint weer als bij een normale vaste stof. Zonder die speciale laag werkt schaatsen gewoon niet meer. "Dan lijkt het alsof je op asfalt probeert te schaatsen", zegt Marin.
Van olympisch ijs naar het klaslokaal
Aan de Universiteit Twente gebruiken docenten schaatsen voor de natuurkundeles. Marin gebruikt voorbeelden uit de topsport in zijn onderwijs binnen Toegepaste Natuurkunde en de minor Sportwetenschappen om te laten zien hoe complexe natuurkunde zich in het dagelijks leven kan verschuilen.
Schaatsen brengt wrijving, temperatuur, materiaalkunde en beweging samen en roept nog altijd open vragen op. Dat olympisch schaatsen überhaupt mogelijk is, danken we aan een microscopische laag aan het ijsoppervlak die zich niet laat vangen in de klassieke categorieën vast of vloeibaar.
Zonder die bijzondere laag zouden die ogenschijnlijk moeiteloze Olympische ronden er heel anders uitzien.
