Горные лыжи наизнанку: как они устроены

По утверждениям археологов, история лыж насчитывает более 4000 лет. Примерно так оценивается возраст наскальных рисунков с изображением лыжников, найденных в Скандинавии и на побережье Белого моря. Похоже, наши давние предки использовали лыжи на равнине в сугубо практических целях — для охоты, для дальних переходов. А вот для спуска с гор их стали применять сравнительно недавно — в XIX веке. Начиналось все с прямых спусков на скорость, пока норвежец Сондре Норхейм не придумал технику поворота на лыжах, получившую название «телемарк».

Эволюция горных лыж

Первые горные лыжи изготавливались вручную и полностью из дерева. Чаще всего их вырезали из крепкого и упругого ясеня, широко распространённого на всем европейском континенте. Но наиболее подходящим для изготовления лыж, оказалось ореховое дерево гикóри, произрастающее в Северной Америке. Его древесина обладает хорошей гибкостью, а по твердости превосходит дуб.

Изготавливать лыжи из гикори первыми попробовали норвежцы. Материал настолько тяжело поддавался обработке, что лыжным мастерам пришлось изготовить специальные резцы из высокоуглеродистой стали. Зато лыжи из гикори получались более тонкими и гибкими, а функцию кантов у них выполняли острые деревянные ребра.

Вскоре в конце XIX века начали изготавливать двухслойные лыжи из разных пород дерева. В них жесткая основа из гикори сочеталась с липой или елью, что делало их еще более упругими и легкими.

Если равнинные лыжи имели преимущественно постоянную ширину по всей длине, то для горных лыж оказался необходим боковой вырез. Опытным путем было установлено, что он способствует выполнению поворотов. Двухсторонний вырез, придающий лыже форму песочных часов с талией посередине, получил название «сайдкат» (sidecut). Он стал неотъемлемым атрибутом для всех горных лыж.

Первым искусственным материалом, примененным в конструкции горных лыж, стал целлулоид. Его стали приклеивать на нижнюю поверхность деревянных лыж для улучшения скольжения и противодействия налипанию снега.

Следующее усовершенствование уже коснулось добавления металла в конструкцию. Даже острые деревянные края лыж из самого твердого дерева гикори не могли их удержать на жестком леденистом склоне. Лыжник-любитель из Австрии Рудольф Леттнер попробовал применить для окантовки деревянной лыжи стальную пластину. Новшество прижилось не сразу, но через некоторое время стальные канты появились на всех горных лыжах. Еще Леттнер придумал и специальный станок для заточки кантов.

Настоящую революцию произвело появление в первые послевоенные годы лыж из алюминия. Этот легкий металл уже успел хорошо зарекомендовать себя в самолетостроении и совсем не удивительно, что первыми энтузиастами, создавшими алюминиевые лыжи, стали авиационные инженеры. Сначала их сделали во Франции, а спустя несколько лет первые коммерчески жизнеспособные лыжи из алюминия создал в США другой авиационный инженер — Говард Хед (Howard Head). У лыж Head Standard Ski был цельнометаллический кант и деревянный сердечник, а также полиэтиленовое покрытие снизу. Эти лыжи были стандартом на протяжении нескольких лет, а основанная Говардом фирма получила мировую известность.

Однако лыжи из металла недолго продержались на вершине Олимпа. В 1959-ом году в Монреале уже появились стеклопластиковые лыжи под торговой маркой Toni Sailer, а еще через несколько лет стекловолокно стало основным материалом для изготовления лыж, вытеснив дерево и алюминий.

Компании K2 Corporation выпустила в 1962-ом году стеклопластиковые лыжи Holiday, сразу получившие невероятную популярность. Началась новая эпоха лыж из пластика. Они были заметно легче алюминиевых, отзывчивее, и для входа в поворот не требовали больших усилий.

Сейчас в современных лыжах используются самые различные материалы: и дерево, и металл, и стеклопластиковые волокна, и новейшие материалы, недоступные ранее.

Лыжная геометрия

На ездовые качества лыжи самое сильное влияние оказывают две геометрические характеристики: боковой вырез и продольный прогиб.

Боковой вырез

В течение многих десятилетий форма и величина бокового выреза почти не менялись. На заре освоения поворотов в стиле «телемарк» ширина носка лыж находилась в диапазоне 90-100 мм, талии 70-80 мм и пятки 75-85 мм. И эти параметры очень продолжительное время оставались практически неизменными. Правда стоит отметить, что стандартная длина лыж вначале была порядка 220-240 см.

Революционные изменения в геометрии произошли в 90-е годы прошлого столетия. Начало новой эпохи ознаменовало появление лыж с радикальным параболическим боковым вырезом. В апреле 1993-го года фирма Elan представила свою новую модель SCX с глубоким боковым вырезом. Эти лыжи быстро получили признание по всему миру, и можно сказать, что с них началась эпоха карвинга.

Глубина выреза определяется соотношением ширины талии лыжи по отношению к ширине носка и пятки. Чем он глубже — тем меньше радиус поворота у лыжи. Значение бокового выреза, как правило, всегда указывается на самой лыже. Например, 126-80-106, где первое число — ширина носка, среднее — ширина талии и последнее — ширина задника. Здесь еще, конечно, имеет значение и длина самой лыжи. Для карвинга длина выбирается меньше.

Нужно помнить, что лыжи с радикальным боковым вырезом не будут стабильны на скоростной прямой, их назначение — езда на кантах крутыми дугами. Поэтому для скоростных спусков с прямыми участками выбирают лыжи с менее выраженным боковым вырезом.

Для расширения характеристик был создан так называемый прогрессивный боковой вырез (progressive side cut). У лыж с таким вырезом его радиус изменяется от пятки к носку лыжи.

Продольный прогиб

Вторая важнейшая геометрическая характеристика лыжи — классический прогиб или кэмбер (camber). Он достигает максимальной величины в середине лыжи. Если сложить две лыжи вместе скользящей поверхностью друг к другу, то между ними по центру будет зазор в несколько сантиметров. Это и есть величина прогиба. Он предназначен для правильного распределения веса по длине лыжи и облегчения входа в поворот и перекантовки лыж.

Кэмбер в разной степени имеется на большинстве лыж, предназначенных для трассового катания. Есть он и на спортцеховых лыжах и на лыжах-универсалах. Более сильный прогиб характерен для слаломных лыж, менее выраженный — для слалома-гиганта и скоростного спуска.

А вот прогиб лыжи в обратную сторону, когда носок и пятка оказываются приподняты относительно центра лыжи, получил название рокер (rocker).

Эта геометрия пришла из водного спорта, где перед лыжами стоит задача всплывать на поверхность. Предположили: поскольку снег — это всего лишь застывшая вода, то и форма лыж по аналогии может быть подобна водным. На практике оказалось, что лыжи с обратным прогибом прекрасно ведут себя на глубоком снегу, всплывая на его поверхность как на воде.

Затем разработчики лыж начали экспериментировать, комбинируя обратный прогиб с классическим, и добиваясь этим различных характеристик.

Сочетание рокера в носке лыжи с кэмбером в ее середине позволило добиться более легкого входа в поворот при одновременной уверенности на разбитой трассе, в рыхлом снегу и просто вне трассы на целине, сохраняя при этом качества обычной трассовой лыжи.

Появились комбинации кэмбера и рокера в разных пропорциях. Например, рокер-кэмбер-рокер. Сочетание рокера на мыске и пятке 40% с традиционным кэмбером 60% под грузовой площадкой дают отличное всплытие в глубоком снегу и хорошую универсальность в сложном снегу вне трасс.

Сочетание 10-процентного рокера с 90-процентным кэмбером способствует достижению оптимального баланса между легкостью управления и агрессивностью ведения лыж. На парковых и фристайловых лыжах используют 30-процентный рокер PNP (Park and Pipe).

Характеристики горных лыж

Радиус поворота

Радиус поворота находится в прямой зависимости от геометрии лыжи, а именно от величины бокового выреза. Чем глубже боковой вырез и короче лыжа, тем меньше будет радиус поворота.

Величина радиуса поворота всегда указывается на лыжах (например, R-13). Для слаломных моделей она составляет 10-13 м, для универсальных — 13-17 метров. Радиусы больше 18-ти метров делают на лыжах для слалом-гиганта, скоростного спуска, для фрирайда.

Длина

Также влияет на радиус: при одинаковой глубине выреза, но при разной длине, получается разный радиус поворота. Поскольку лыжи выбирают под свой рост по длине, то это первое, с чем нужно определиться при подборе лыж себе. Длина определяется в зависимости от роста, веса, навыков, предпочтений к стилю катания.

Жесткость

Жесткость разделяется на продольную (динамическую) и торсионную (на скручивание). От первой зависит то, как лыжа обрабатывает неровности и бугры, встречающиеся на пути, вторая удерживает лыжу от скручивания и обеспечивает «цепкость» на жестком склоне. На мягких лыжах проще поворачивать на малых скоростях и глубоком снегу. Для леденистых склонов потребуется увеличение обоих видов жесткости. Это достигается за счет добавления металлических пластин, которые прибавляют и вес. В этом случае в названии лыж должно присутствовать слово Titanal, либо его сокращение Ti. Это означает, что в конструкцию лыж добавлена металлическая пластина из титанала. Таких пластин может быть несколько.

Немаловажно и то, как жесткость распределяется по длине лыжи. Спортивные модели имеют равномерно распределенную по всей длине торсионную и продольную жесткость. Лыжи, предназначенные для свободного катания (фрирайда и сноупарка), на отдельных своих участках имеют разную жесткость. Это может быть либо комбинация мягкого носка и жесткого задника, либо жесткая центральная часть с мягкими носком и пяткой.

Лыжи одинаковой геометрии, но разной жесткости, тоже будут вести себя по-разному. Мягкие лыжи больше прощают ошибок, а жесткие предъявляют более высокие требования к уровню подготовки лыжника.

Эксперименты с формой лыж в основном закончились в 90-е годы прошлого столетия. Порой они приводили к самым необычным результатам. Но к настоящему времени глобальные нововведения в конструкции и форме, похоже, уже сделаны.

Внутреннее содержание (начинка лыж)

В конструкции лыж в настоящее время используются три основных типа сердечника: сэндвич, кэп и монокок.

Сэндвич

Конструкция лыжи на основе послойного сочетания различных материалов, определяющих те или иные качества лыжи.

На протяжении продолжительного времени это было самое популярное решение в лыжестроении, да и сейчас сэндвич считается классикой и остается основным при создании топ-моделей для спортсменов высшего ранга.

Монокок

В 1990-м году Salomon предложил свою новаторскую конструкцию, запатентованную под названием «монокок» (monocoque). Она представляет собой замкнутую несущую оболочку, выполненную из композитных материалов. До этого монокок применялся в авиастроении. В конструкции используются различные плетеные материалы от стекловолокна до карбона и кевлара. Его внутренность может быть заполнена вспененным материалом и играет второстепенную роль. Лыжи этого типа имеют высокую торсионную жесткость и прочность.

Однако такая технология существенно ограничивает возможность создания лыж радикальной геометрии и трудоемка при перенастройке оборудования.

Кэп

Конструкция лыжи состоит из верхней «крышки» из прочного материала, напоминающей по форме шляпу. Под ней расположен сердечник с приклеенным снизу скользящим слоем. При этом кэп служит опорой для кантов и через него передается усилие на кант.

Интеллектуальные лыжи

Горные лыжи со встроенными электронными системами появились еще в конце ХХ века.

Первый такой успешный опыт был проделан американской компанией К2 в 1998-м году. В модели Merlin VI была реализована пьезо-электрическая система демпфирования SmartSki. Комплекс состоял из нескольких пьезоэлементов, встроенных в лыжи, которые воспринимали вибрации и преобразовывали их в электричество, что приводило к затуханию колебаний.

Дальнейшим развитием этой технологии активно занялась компания Head.

История создания Head Intelligence Technology началась после очередного пересмотра геометрии лыж. Карвы стали шире, мягче, короче, что с одной стороны обеспечило более острую динамику, но нагрузки, вызывающие торсионное скручивание, выросли значительно. Из-за этого в повороте ухудшался контакт кантов со снегом, что могло приводить к его срыву.

Инженеры компании стали искать способ, который улучшил бы контроль и стабильность в управлении лыжами. Нужно было создать интеллектуальную адаптивную систему, которая бы без участия человека приводила параметры лыж к оптимальным в соответствии с состоянием склона.

В результате исследований появилась система на основе волокон, которые назвали intellifibers. Используя принцип накопления-отдачи энергии, лыжа могла за пять миллисекунд перестроить свое поведение на склоне для максимальной отдачи.

Сюда добавилась технология Kers, пришедшая из автоспорта. Она базируется на принципе рекуперации энергии. Сначала эта энергия накапливается в процессе поворота за счет прогиба лыжи, затем преобразуется в отдачу, буквально выстреливая лыжника вперед в конце поворота.

Развитие нескольких систем привело к созданию единой HEAD EMC. Для этого в ключевых зонах лыжи были размещены двойные замкнутые электрические схемы, состоящие из керамических пьезоэлементов, резисторов, проводников и контроллеров. Гашение колебаний происходит при помощи графено-карбонового проводящего контура.

В результате работы EMC негативные вибрации быстро гасятся, ход лыж становится более плавным, повышается стабильность ведения лыж. Теперь стало возможным делать лыжи более мягкими и легкими без ущерба для их стабильности. Такими лыжами легче управлять, на само управление тратится меньше сил, они сами быстро адаптируются к любому рельефу или состоянию снега.

Новые материалы

Дальнейшее развитие при создании новых лыж пошло в сторону использования перспективных материалов, с основной направленностью на уменьшения веса и увеличение прочности.

Несмотря на появление новых суперпрочных и сверхлегких материалов для изготовления сердечника по-прежнему используется традиционное дерево: ясень, клен, тополь и осина. Древесина клена и ясеня — более жесткая и выносливая. Она применяется в лыжах, которые испытывают наибольшие нагрузки.

Древесина тополя и осины имеет меньший вес. Ее можно найти в сердечниках для универсальных и парковых лыж. Для скитуринга выбирают самые легкие виды древесины — бамбук или павловнию. Или даже такой экзотический вид древесины как каруба. Отличное соотношение прочности и веса делает эту древесину идеальным материалом для сердечника. Например, каруба применяется в топовых лыжах для фрирайда HEAD KORE.

В качестве композита часто используют стекловолокно. Карбоновое волокно легче и прочнее, но стоит заметно дороже. Его чаще применяют для ски-туринговых лыж, когда особенно важно минимизировать вес.

С появление нового материала под названием «Графен» (Graphene), открылись удивительные возможности для получения ранее недостижимых характеристик горных лыж. Свойства графена поражают воображение: на сегодняшний день это самый крепкий материал на планете. Он легче пуха, но при этом тверже алмаза и в триста раз тверже стали.

Графен — это двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Он был впервые получен в 2004-м году. За его открытие выходцы из России и выпускники Физтеха — Андрей Гейм и Константин Новоселов — получили Нобелевскую премию по физике.

Добавляя графеновый слой в различные участки лыжи можно активно воздействовать на ее баланс: сделать мягкой, где нужно, но при этом жесткой и максимально упругой — там, где это необходимо.

Компания HEAD получила патент на использование графена в конструкции своих лыж. С его использованием стало возможным принципиально изменить структуру лыж, перенеся силовой каркас с сердечника на графеновый слой. Благодаря этому удалось существенно снизить вес лыж без ущерба для стабильности, скорости и контроля за ее поведением. Новые лыжи легче аналогов на 20% и имеют непревзойденные ходовые характеристики.

Несмотря на появление сверхлегких материалов, без добавления металла в конструкцию лыж дело все равно не обходится. Для этого широко используется титанал — алюминиевый сплав с небольшим добавлением титана. Он придает лыжам равномерность хода и гасит большую часть вибраций. Будучи металлом, титанал утяжеляет лыжу, но зато придает ей высокую торсионную жесткость. С этой целью может добавляться до нескольких пластин титанала.

Еще одна важная составляющая лыж — нижняя поверхность (база), обеспечивающая наилучшее скольжение. Современное покрытие изготавливается из сверхвысокомолекулярного полиэтилена (UHMW-PE) толщиной порядка 1-2 миллиметров. Также для скользящей поверхности используется спеченный полиэтилен UHMW, имеющий микропоры, которые при парафинировании заполняются воском.