Korčule – dôkaz Coulombovho zákona

Korčule patria k starším vynálezom ľudstva. Prvé korčule z kostí koní a sobov sa použili už v dobe kamennej. Podobu kovového noža nadobudli až v 13. storočí, s kolieskami sa začali používať ešte neskôr, koncom 18. storočia. Aj keď v čase ich objavenia človek teoreticky nepoznal fyzikálne zákonitosti trenia, empiricky prišiel na spôsob pohybu kĺzaním, pri ktorom je malé brzdenie. Intuitívne objavil to, čo my dnes vieme fyzikálne zdôvodniť – koeficient trenia medzi korčuľami a ľadom je veľmi malý. Preto aj brzdiaca sila – sila trenia je malá. A tak si kĺzaním človek može pomôcť. V porovnaní s prirodzenou lokomóciou – chôdzou či behom – prekoná na korčuliach rovnakú vzdialenosť s menším výdajom energie a za kratší čas.

V časoch kostených a v prvej etape kovových korčúľ sa používali výlučne ako dopravný prostriedok. Až neskôr v 18. storočí sa stalo korčuľovanie na ľade športom.

Už sme naznačili, že z fyzikálneho hľadiska je korčuľovanie príkladom, keď vlastnosti materiálov dotýkajúcich sa pri pohybe zabeupečujú dobré kĺzanie. Kvantitatívne to vyjadruje nízky koeficient trenia. Ten má pre korčule z kvalitnej ocele hodnotu 0,014 až 0,027. Vačší koeficient znamená väčšie brzdenie, teda väčšia sila trenia a naopak.

Okrem vlastnosti materiálov sila trenia priamoúmerne závisí od kolmého tlaku. Táto závislosť je vyjadrená známym vzťahom

T = f . N

Kde T je trecia sila

f - koeficient trenia

N – kolmý tlak

Tento vzťah sa zvykne vo fyzike nazývať Coulombov zákon.

Zaujímavou osobitosťou kĺzania korčule, ktorej šírka noža býva 0,4 cm, po ľade je, že plocha opory korčuliara je extrémne malá. Tento fakt možno využiť na zdôvodnenie indiferentného vzťahu sily trenia a veľkosti dotykovej plochy. Nezávislosť medzi týmito veličinami je daná práve Coulombovým zákonom. Z neho vyplýva že sila trenia závisí iba od kolmého tlaku a koeficientu trenia.

Napriek tomu nie zriedkavo sa možno stretnúť s názorom, že zmenou veľkosti dotykovej plochy sa zmení sila trenia. Ako príklad sa uvádza lyžovanie. Poukazuje sa na to, že lyže s rozdielnou veľkosťou sklznice niesú rovnako rýchle, čo je dôkazom rozdielnej brzdiacej sily, ktorou je sila trenia. Naozaj dlhšie lyže, teda lyže s väčšou plochou sklznice, zvyknú byť rýchlejšie. Ale nieje to dôkaz, že z Coulombovho zákona neprávom vypadla veľkosť dotykovej plochy.

Predovšetkým dlhšie lyže majú vyššiu mieru vlastnosti, ktorej sa odborne hovorí vodivosť. Je to schopnosť udržať priamy smer. Kedže kratšia lyža je menej vodivá, je teda viac točivá, dochádza pri jazde na nej v oblúku viac k bočnému zosúvaniu, čo spôsobuje, samozrejme, väčšie brzdenie.

Preto z pomalšej jazdy na kratších lyžiach v slalomových bránkach nemožno vôbec usudzovať o závislosti sily trenia od veľkosti klznej plochy.

Ale aj väčšia rýchlosť dlhších lyží pri priamom zjazde, teda pri jazde bez brzdivého bočného zosúvania je iba zdanlivým dôkazom uvažovanej závislosti.

Na vysvetlenie tohto tvrdenia uvedieme, že pohyb lyže po snehu môžu brzdiť okrem sily trenia sklzníc aj dalšie sily trenia či sily príbuzné sile trenia – nazvime ich doplnkovými brzdiacimi silami. Je to sila trenia bokov lyží a sila odporu snehu hrnutého pri jazde hrotmi lyží , resp. snehu, ktorý musia hroty preraziť. K nim sa môže ešte pridať sila odporu snehu nad lyžami pri jazde v hlbokom snehu. Podiel týchto zložiek závisí aj od veľkosti plochy sklzníc.

Menšia plocha znamená pri tej istej hmotnosti lyžiara väčší merný tlak. V dôsledku toho sa zväčší miera zabárania lyží do snehu čím sa zväčšia uvedené brzdiace sily, najmä sila odporu snehu, ktorý musia hroty lyží preraziť.

Takže výhody dlhších lyží nie sú dané inou silou trenia sklzníc. Tá závisí od kvality sklzníc a kolmého tlaku. Ak ten istý lyžiar na kratších lyžiach s rovnako kvalitnými sklznicami na tom istom svahu sa pohybuje pomalšie, zapríčiňujú to tie doplnkové brzdiace sily. Miera ich pôsobenia sa zvyšuje zmenšovaním klznej plochy lyže.

Uvedené vzťahy potvrdzujú práve korčule. Napriek malej dotykovej ploce, brzdiaca sila je malá. Podložka, po ktorej sa pohybujú korčule je totiž tvrdý ľad. A tak zabáranie do podložky je malé. Ak je ľad neupravený, a tým drsnejší, prípadne pri vyššej teplote ovzdušia mäkký, je pomalší. Je to preto, že sa v dôsledku väčšieho zarezávania korčúľ do ľadu zvýšilo ich brzdenie doplnkovými brzdiacimi silami.

Korčule sú teda naozaj pádnym dôkazom toho, že veľosť dotykovej plochy priamo nevplýva na silu trenia. Možno ich tak využiť nielen na vozenie sa ale tiež ako dôkaz platnosti Coulombovho zákona, podľa ktorého je sila trenia závislá iba od kvality trecích plôch a kolmého tlaku.