それがどのように機能するかはまだわかりません

オーストラリア初のオリンピックカーリングチームは歴史的な勝利を収めましたが、北京で開催された2022年冬季オリンピックでメダル表彰台を逃しました。 自宅に専用のカーリング施設がないチームにとっては、驚くべきパフォーマンスでした。

そして、それは重要です。なぜなら、重いカーリングストーンが物理学に反するように滑って曲がることを可能にするのはカーリングアイスの特別な特性だからです。 実際、科学者たちは、何が「カール」をカールさせるのかまだはっきりしていません。

氷の上のチェス

カーリングの起源は16世紀のスコットランドにまでさかのぼり、世界最古のチームスポーツの1つとなっています。 ゴルフのように-世界の同じ地域で同じ時期に発明された-カーリングは、面白く無意味であり、訓練されていない目には一見単純に見えます。

多くのオーストラリア人にとって、それは凍った芝生のボウルに最も似ていますが、それは「氷の上のチェス」と呼ばれています。 アスリートは、28メートル離れた水平ターゲットの中心に向かって氷に沿って円形の20キログラムの花崗岩の石を交互にスライドさせます。 チームは、石をターゲットの中心、つまり「家」に近づけることでポイントを獲得できます。

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滑りやすい科学

カーリングの背後にある滑りやすい科学は、氷自体から始まります。 カーリングアイスは完全に平らである必要があります(通常のアイスホッケーリンクよりもはるかに平らです)。各ゲームの前に水滴をスプレーして、小石の表面を作ります。 これにより、氷と重いカーリングストーンとの接触面積が最小限に抑えられます。

カーリングストーンには、ビール瓶の底のように凹面の下面があり、ストーンと氷の間の接触面積がさらに減少します。 その効果は、アイススケートが機能するのと同じように、石の基部の圧力を高め、氷を部分的に溶かし、摩擦を減らすことです。

オリンピック競技の中でもユニークなことに、カーリングプレーヤーは、石が「投げられた」後に石の進路を変えることができます。 これは、氷を暖め、摩擦を減らす特別なほうきで石の前の氷を勢いよく掃き、石がその経路に沿ってより遠く、まっすぐに移動できるようにすることによって達成されます。

いつ、どこで、どれだけ掃くのが難しいかを決定することは、石の軌道に大きな影響を及ぼします。 当然のことながら、それは非常に熱狂的な叫び声を伴います。

試してみてください

少量のスピンを追加することで、熟練したプレーヤーは、カーブしたパスに沿って自分の石を「カール」させて、対戦相手の石をブロックしたり、邪魔にならないようにノックしたりできます。 わずかな回転でも、カーリングストーンの進路を1メートル半ほど偏向させる可能性があります。 カーリングストーンがこれをどの程度正確に行うかは、パズルのようなものです。

(文字通りの)卓上実験から始めましょう。 上向きのガラスをテーブルに沿ってスライドさせ、手から離れるときに少し回転させます。 少し練習すれば(そしておそらく数個の交換用グラス)、時計回りに回すと左に、反時計回りに回すと右に曲がって、テーブルを横切る曲がりくねった道をグラスにたどらせることができます。

この理由は、トライボロジーと呼ばれる科学の一分野によって説明されています。トライボロジーは、移動するオブジェクトとスライドするオブジェクトに対する摩擦の影響を研究しています。

ガラスが回転すると、テーブルトップと擦れ合い、摩擦が発生してガラスの回転が遅くなります。 摩擦力は運動の方向と反対に向けられます。時計回りに回転するガラスの場合、摩擦はガラスの前面で左に向けられ、ガラスの背面で右に向けられます。

回転するガラスがテーブルを横切ってスライドすると、進行方向にわずかに前傾し、ガラスの前部リップが後部リップよりもテーブル上で少し強く押し下げられます。 余分な圧力は、後部に比べて前部で余分な摩擦を生成します。 結果として生じる摩擦力の不均衡により、ガラスはより強い摩擦の方向にたわみます-時計回りに回転するガラスの場合は左に。

物語のひねり

ただし、カーリングストーンはまったく逆の動作をします。時計回りに回転させると、ストーンは左ではなく右に偏向します。 長い間、科学者たちはこれが非対称摩擦と呼ばれる効果によるものだと考えていました。

理論は次のようになります。ガラスがテーブルを横切って押されるように、カーリングストーンはわずかに前傾します。 石の前部の余分な圧力は、前縁の氷を部分的に溶かし、水の薄い膜を作成して、後部と比較して石の前部の摩擦を減らします。

カーリングストーンは、摩擦が強い方向に曲がります。 しかし、この場合、時計回りに回転する石の場合、勝つのは後縁であり、その結果、左ではなく右にたわみます。

それをスクラッチ

多くの理論と同様に、この説明は、誰かが実際にテストするまで広く受け入れられていました。 2012年、スウェーデンのウプサラ大学のチームが、滑り石に作用する摩擦力の詳細な計算を行いました。

彼らが見つけた問題は、カーリングストーンが非常にゆっくりと回転し、停止する前に数ターンしか完了しないことです。 このスピンは小さすぎて、1メートル以上の横方向のたわみを引き起こすことはできません。 さらに奇妙なことに、回転を増やしてもカールが増えることはありません。実際、石を強く回転させすぎると、まったくカールしません。 非対称摩擦はそのような振る舞いを説明することはできません。

研究者たちは、電子顕微鏡を使用して、カーリングストーンの下の氷をより詳しく調べました。 彼らは、石の前端が回転方向に氷上に小さな引っかき傷を残していることを発見しました。 これらの引っかき傷は、石の後端のガイドとして機能し、石を回転方向に偏向させます。

次に、スウェーデンのチームは、この「スクラッチガイド」メカニズムを使用して、氷にさまざまな方向に人工的なスクラッチを追加することで、スライドストーンを「操縦」できることを示しました。 ある実験では、交互の方向に引っかき傷を置くことによって、石がジグザグの道に沿って移動するように作られました。

彼らの発見は、明らかにニッチなカーリング物理学の世界で小さな論争を引き起こした。

ピボットスライドモデル、蒸発摩耗モデル、除雪車モデルなど、競合する理論が提案されています。

2020年、日本のチームは、洗練されたモーショントラッキング装置、レーザー走査顕微鏡、およびカーリングストーンの表面を修正するためのサンドペーパーを使用して、カーリングホールで各理論を体系的にテストすることにより、問題を解決しようとしました。

しかし、明確な勝者は現れませんでした。 カーリングの科学に関して言えば、私たちは表面を引っ掻いているように見えます。

著者:シェーンキーティング-数学と海洋学の上級講師、UNSWシドニー

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