Waarom ondervindt Ronald Mulder bij 60 km/u zo weinig wrijving van het ijs?
Hoe kan Ronald Mulder zijn schaatsen met ruim 60 km/u over een ijslaag jagen? Zijn schaatsijzers worden geholpen door een smerend laagje smeltwater. In Leiden vonden natuurkundigen dat daarmee de kous nog niet af is. Theoreticus Hans van Leeuwen en experimenteel fysicus Tjerk Oosterkamp zochten een diepere verklaring.
Het was al duidelijk dat schaatsen bijzonder is omdat een schaats voor zijn eigen smeermiddel zorgt. Wrijving doet een beetje ijs smelten, zodat een schaats altijd is omgeven door een dun waterlaagje dat precies op de juiste plek voor smering zorgt. Schaatsen is eigenlijk aquaplaning. Bij aquaplaning geldt: hoe hoger de snelheid, des te groter de wrijving. En hoe dikker de waterlaag, des te kleiner de wrijving. Een schaats creëert bij hogere snelheid een dikkere waterlaag, zodat de wrijving slechts langzaam toeneemt met de snelheid. Leids natuurkundigen Hans van Leeuwen en Tjerk Oosterkamp namen geen genoegen met deze verklaring; bij 60 km/u zou je zo nog steeds een flinke portie wrijving ervaren. Ze hebben nu een nieuwe factor gevonden die verklaart waarom Mulder inderdaad nauwelijks toenemende wrijving ondervindt terwijl hij zijn topsnelheid nadert.
Onafhankelijk
Emeritus professor Hans van Leeuwen heeft een nauwkeurige analyse gemaakt van de wrijving en druk in het laagje smeltwater. Hij vond een factor die nog niemand heeft opgemerkt. Het ijs wordt ernstig vervormd door de enorme druk die Mulder erin opbouwt met zijn gewicht en snelheid. Bij hogere snelheid is die vervorming minder, omdat de schaats dan minder tijd heeft om het ijs te vervormen. Daardoor komt de schaats minder diep in het ijs te liggen en hoeft hij minder erdoorheen te ploegen. In hoeverre kunnen we deze verminderde ‘ploegwrijving’ nu aftrekken van de grotere wrijving als gevolg van een hogere snelheid? Volgens Van Leeuwens theorie heffen beide factoren elkaar praktisch op, waardoor de wrijving nagenoeg onafhankelijk is van de snelheid. Natuurlijk speelt bij hogere snelheden de luchtweerstand een belangrijkere rol, maar een soortgelijke toename van de wrijving met het ijs is minder dan gedacht.
Belangrijkste parameter
Om tot deze verklaring te komen, heeft Van Leeuwen alle beschikbare literatuur verzameld en daaruit een aantal schattingen afgeleid voor de paramaters uit zijn theorie. De belangrijkste parameter is de snelheid waarmee ijs onder druk vervormt. Die wil hij graag experimenteel bevestigd zien, om zo zijn conclusie hard te maken.
Vrijdagmiddag
Zo komen we bij professor en fervent schaatser Tjerk Oosterkamp. Naast zijn werk aan quantummechanica heeft hij met zijn studenten een schaatsopstelling gemaakt ‘voor de vrijdagmiddag’. Daarmee beweegt hij een schaats over een ijslaag en meet hij nauwkeurig hoe het ijs vervormt bij verschillende snelheid, temperatuur en gewicht. Samen met zijn studenten probeert hij de ontbrekende waarde te vinden die Van Leeuwens conclusie moet dichttimmeren. Oosterkamp: ‘Dit is een typisch vrijdagmiddagonderzoek dat we uitvoeren met studenten. Het is erg moeilijk om geld te vinden om hier een promovendus fulltime mee aan de slag te laten gaan. Daarom is het fantastisch dat Hans zijn theorie met veel geduld heeft uitgewerkt, wat een lastige en tijdrovende klus is maar ook een prachtig project is geweest.
Puzzel
‘Toen ik in 2000 naar Leiden kwam, was Hans al emeritus professor. Hij werkt nu nog met evenveel passie voor zijn vak als toen. We hebben in de afgelopen vijf jaar heel wat gesprekken gevoerd en Hans bleef er maar op hameren dat we er niet omheen konden dat het ijs niet alleen elastisch vervormt maar ook plastisch. De druk onder de schaats loopt zo hoog op dat het samengedrukte ijs niet helemaal terugveert nadat de schaats is gepasseerd. Ik had het geduld niet om de puzzel te leggen, maar Hans heeft het probleem net zo lang geanalyseerd tot hij het probleem helemaal in de klem had. De formules zijn niet eens super ingewikkeld, het zijn er alleen best veel en hij heeft een hele trukendoos in moeten zetten om ze op te lossen.
Crowdfunding
‘Het zou het mooiste zijn als zijn werk beloond wordt met een subsidie, zodat we echt grondig werk kunnen maken van ons experiment om Hans’ theorie experimenteel te bevestigen. Het experiment is inmiddels best een complexe opstelling geworden. Twee studenten hebben weliswaar net weer een kort projectje afgerond en de diepte van het schaatsspoor gemeten, maar we hebben een nieuwe motor nodig om op realistische snelheid te testen. We overwegen daarvoor een crowdfunding actie te starten.’
Dan wijst Oosterkamp naar een foto van Willem-Alexander tijdens zijn kroning. Tussen alle medailles op zijn borst hangt een elfstedenkruisje. ‘Of we moeten op zoek naar een vermogend Leids alumnus met een passie voor schaatsen.…’