¿Por qué se riza una roca que se encrespa?

El coeficiente de fricción de una piedra que se encrespa no es constante: el movimiento sobre hielo es diferente del movimiento sobre una superficie sólida inmutable, gracias a la fusión, que a su vez es proporcional a la mayoría de los factores que afectan la fricción (p. ej., área de contacto, velocidad). Entonces, exactamente como sospechas, la fricción disminuye a medida que aumenta la velocidad.

Debido al cambio de CofF, la piedra se encrespa con más fuerza al final de su trayectoria (ya que se vuelve más lenta) que al principio.

Además, como dice Mark C, el equipo puede afectar la trayectoria después de la entrega mediante el barrido: el propósito completo de los barredores es derretir o al menos alisar el hielo delante de la piedra (o no, según sea necesario), que tiende a enderezar y alargar la trayectoria reduciendo el efecto de fricción en el borde de ataque de la piedra.

La investigación en 2013 produjo un artículo (aquí: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0043164813000732 )

En abstracto, están de acuerdo en que las fuerzas de fricción no son la causa:

el movimiento de ondulación se ha atribuido a una distribución asimétrica de la fuerza de fricción que actúa sobre la piedra deslizante, de modo que la fricción en la parte trasera de la piedra (visto en la dirección del movimiento) es mayor que en la parte delantera. En un artículo reciente, pudimos demostrar que ninguna redistribución de la fricción, por extrema que sea, puede explicar la magnitud del movimiento observado de una piedra que se encrespa de verdad.

Si bien el documento no está disponible de forma gratuita, un comunicado de la universidad señala el mecanismo que el documento atribuye al rizo (de https://www.uu.se/en/news/news-document/?id=2582&area=2 )

...el camino curvo se debe a la rugosidad microscópica de la piedra que produce rasguños microscópicos en la capa de hielo. A medida que la piedra se desliza sobre el hielo, la aspereza de su mitad delantera producirá pequeños rasguños en el hielo. La rotación de la piedra dará a los arañazos una ligera desviación de la dirección de deslizamiento. Cuando las protuberancias ásperas en la mitad posterior pasen brevemente por la misma área, cruzarán los rayones desde el frente en un pequeño ángulo. Al atravesar estos arañazos tendrán tendencia a seguirlos. Es este mecanismo de guía de rayado o dirección de pista el que genera la fuerza lateral necesaria para causar el rizo.

También he considerado la idea de la fricción húmeda. El hielo cuando se comprime formará una capa líquida donde se aplica la presión. Sin embargo, una cosa que muchos parecen pasar por alto es que la superficie del hielo sobre la que se mueven las piedras que se encrespan no es lisa. para preparar el hielo para rizar primero usamos una espátula para alisarlo y nivelarlo. el raspador es un cuchillo muy afilado con un borde cortante de 5 pies de largo que se muele a una tolerancia de planitud de 0,001 pulgadas. Se usa tensión para tirar de los extremos hacia arriba unas pocas milésimas de pulgada para evitar que los bordes formen una cresta. Este cuchillo se desliza por la capa de hielo raspando la parte superior del hielo. Esto se hace hasta que se eliminen todos los puntos altos y el hielo esté nivelado. Luego tomamos un rociador y rociamos gotas de agua sobre el hielo en un patrón uniforme. Estas hojas caen alrededor de 1/8 a 3/16 de pulgada de ancho y aproximadamente 1 mm de alto en la superficie del hielo. El espacio entre las gotas (las llamamos guijarros) es tal que hay un espacio de aproximadamente 1/8 de pulgada entre las gotas. las rocas no son lisas en el fondo la superficie de rodadura de la roca es un anillo de unas 5,25 pulgadas de diámetro y de unos 5 a 7 mm de ancho este anillo es liso. La superficie de la roca lejos de la superficie de carrera es un arco suave en cada lado (dentro y fuera del anillo) de tal manera que la parte inferior de la roca forma una copa dentro del anillo y forma un óvalo lejos de la superficie del hielo fuera del anillo.

Cuando la roca corre por la superficie, no se desliza suavemente, rebota hacia arriba y hacia abajo de los guijarros mientras se desliza sobre ellos. Esto hace que el estruendo o rugido que hacen las piedras al viajar. Este rebote es lo que siento que es clave para el rizo de la piedra. La superficie de rodadura de la piedra forma un plano, por lo que la piedra normalmente descansaría sobre tres de esos guijarros cuando estuviera estacionaria. Cuando corre por el hielo, el descanso de las tres piedras no es el caso, la piedra, a medida que se desliza dentro y fuera de cualquier piedra, se moverá hacia arriba y hacia abajo y, en algunos casos, la piedra puede rebotar y estar momentáneamente en contacto con el hielo en 0 , 1 o 2 guijarros. Cada vez que esté en contacto con un guijarro, se fijará en su lugar y girará sobre el eje fijado. Estadísticamente, las ubicaciones fijadas se distribuirán uniformemente por toda la superficie de rodadura y el movimiento lateral impartido por la fijación tenderá a cancelarse hasta una media cero. pero el movimiento hacia adelante de las piedras combinado con el giro significa que las superficies de los anillos a ambos lados se moverán a diferentes velocidades en relación con el hielo. En el lado que avanza en relación con el movimiento hacia adelante de la piedra, el tiempo promedio en que la piedrecita clavará la piedra será menor que el de las piedrecitas que se clavan en el lado más lento del anillo. este tiempo promedio más largo girando en un sentido frente al otro sesgará el movimiento lateral de la piedra hacia la dirección en la que la rotación mueve el borde de ataque de la piedra. Entonces, una piedra que viaja hacia el norte con una rotación en el sentido de las agujas del reloj vista desde arriba (el borde de ataque se mueve hacia el este) estará sesgada para moverse lateralmente hacia el este. La idea de fijación es que cuando un disco que gira libremente (piense en un frisbee) se fija cerca del borde del disco, el momento angular del disco hará que gire alrededor de la ubicación fijada como el nuevo eje. Cuando se suelta del pasador, el disco ahora viajará a lo largo de un nuevo camino en la dirección en que iba el centro de masa cuando se soltó el pasador. Así, parte del momento angular se convierte en movimiento lateral.

La piedra crea un parche de contacto con el hielo. En este caso tiene una forma aproximadamente circular con un radio aproximado de$a=0.721\,\sqrt[3]{W\,D\left(\dfrac{1-\nu_{1}}{E_{1}}+\dfrac{1-\nu_{2}}{E_{2}}\right)}$dónde$D$es el diámetro de la superficie de contacto esférica (el diámetro de la corona de la piedra),$W$es el peso de la piedra, y$\nu$,$E$son la relación de Poisson y el módulo de Young para los dos materiales en contacto (hielo y piedra).

Ahora bien, debido a que la superficie es irregular, la presión sobre el contacto no es necesariamente simétrica y puede tener un centro de presión del eje desde el eje de giro de la piedra. A lo sumo la excentricidad es igual a$a$, produciendo el par máximo posible aplicado a la piedra a ser$T=\mu\,W\,a$dónde$\mu$es el coeficiente de fricción.

El torque es el responsable de alterar el giro de la piedra. Una vez que la piedra ha girado, las propiedades de contacto hidrodinámico alteran la trayectoria de la piedra. La fricción no es constante ya que depende de la presión aplicada en cada punto. Piense en la capa superior de hielo como una capa de lubricación, y la piedra tiene que atravesarla. En cuanto al mecanismo por el cual esta interacción compleja crea una fuerza lateral (fuerza de seguimiento), no estoy seguro de poder explicarlo. Tal vez alguien más pueda.

Ref: "Fórmulas para el estrés y la tensión", Roark, 3ª ed. 1954

Para moverse hacia arriba, la parte trasera de la roca debe tener un poco más de fricción que la parte delantera.

Sea x la dirección del movimiento e y abarque el plano del disco. El caso fácil de considerar es el límite de la piedra rodante, donde la piedra se mueve hacia adelante y gira con velocidad angular.$R\omega=v$en sentido contrario a las agujas del reloj como normalmente dibuja el plano xy. En este caso, el punto superior del borde no se mueve en ningún punto, la parte trasera baja en y y la parte delantera sube. La fricción en la espalda debe ser ligeramente mayor para dar una fuerza neta.

La asimetría en la fricción debe deberse al hecho de que el borde frontal encuentra hielo nuevo, mientras que el borde posterior atraviesa hielo que ya ha estado en contacto con el borde frontal. Esto debe significar que el hielo nuevo tiene menos fricción que el hielo que ha ejercido algo de fricción, de modo que una capa lisa de hielo tiene un coeficiente de fricción que aumenta con la cantidad de deslizamiento que se realiza sobre ella. Esto es extraño, hubiera esperado lo contrario, pero es la única forma de explicar el deslizamiento.

La presión principal es la misma que la presión posterior para una piedra simétrica, y las asimetrías en la piedra no explican el efecto, ya que se promedian durante una vuelta completa.