Eigenlijk is schaatsen nog steeds een fundamenteel raadsel

Terwijl zaterdag het olympisch schaatstoernooi begint, is het met ijzers glijden over ijs nog steeds een fundamenteel raadsel. Leidse onderzoekers hebben er een nieuwe theorie over en testen die nu in een experiment.

null Beeld Jiri Buller
Beeld Jiri Buller

Dertig centimeter per seconde, zo'n kilometer per uur. Het zijn nog niet echt olympische recordsnelheden waarmee in het laboratorium van Tjerk Oosterkamp in het Leidse Oortgebouw een nagebootste schaats over een nagebootste ijsvloer heen en weer gaat, aangedreven door een zachtzoemende elektromotor. Op een schermpje licht een gele bibberlijn op, waarmee als alles meezit misschien een nieuwe theorie over schaatsen bewezen kan worden. Te laat voor de Olympische Spelen in Pyeongchang, maar wetenschappelijk niet minder interessant. 'Eigenlijk een project voor een serieuze promovendus', zegt Oosterkamp.

Schaatsen, vertelt de hoogleraar quantumfysica annex enthousiaste amateurschaatser met een grijns, is namelijk nog steeds een fundamenteel raadsel. 'Er is wel een standaardverklaring waarom we met ijzers over ijs kunnen glijden. Maar als je in de theorie duikt blijken er talloze vraagtekens te bestaan. Hier proberen we die weg te nemen.'

Hij gebaart naar een stuk proefschaats, speciaal gezaagd uit een wedstrijdnoor, naar de onder glas geprepareerde ijslaag van minder dan een millimeter, de stikstofkoeling, druksensoren, snelheidsmeters en diktemeters. En de computer die alles wat er gaande is registreert. Onverstoorbaar gaat het ingeklemde ijzer van links naar rechts over een nauwelijks zichtbaar laagje glashelder ijs op een printplaat. En weer terug.

De proef is wat fysici een vrijdagmiddagexperiment noemen: een leuke bijkomstigheid waar nu en dan wat studenten aan werken voor hun punten en wat ervaring. Sinds enkele jaren trekt hij daarin nauw op met de Leidse emeritus hoogleraar theoretische natuurkunde Hans van Leeuwen. Die, om het scherp te zeggen, vorig najaar de standaardschaatstheorie naar de prullenbak heeft verwezen.

De ploegweerstand hangt af van de snelheid. Sterker, die neemt af, omdat de schaats bij hoge snelheid geen tijd heeft om diep in het ijs te zakken. Beeld Jiri Buller
De ploegweerstand hangt af van de snelheid. Sterker, die neemt af, omdat de schaats bij hoge snelheid geen tijd heeft om diep in het ijs te zakken.Beeld Jiri Buller

'Het gekste aan schaatsen is eigenlijk dat het onder enorm uiteenlopende condities toch goed gaat', zegt Van Leeuwen, die er een artikel van een kleine dertig pagina's over schreef, vol wiskundige afleidingen en simulaties. Conclusie: de standaardtheorie is te simplistisch. De gevormde waterlaag blijkt bij hoge snelheid gewoon te dun om lekker op te glijden. De stilstaande onderkant en de bewegende bovenkant zitten domweg te dicht bij elkaar.

Die standaardtheorie gaat als volgt. De schaats die op het ijs beweegt, genereert wrijving. Die wrijving maakt dat het ijs een klein beetje smelt, waardoor de schaats over het gevormde waterlaagje glijdt. Bij hogere snelheid maakt de wrijving de waterlaag dikker, wat extra glijvermogen geeft.

Klinkt als een cadeautje van Moeder Natuur. Maar wie de sommen secuur maakt, komt erachter dat het niet helemaal klopt, zegt Van Leeuwen. De dikkere laag glijwater, laat hij zien, geeft per saldo niet genoeg extra glijvermogen. 'Een kampioen als Ronald Mulder zou dat bij 60 kilometer per uur echt moeten merken.'

Van Leeuwen denkt daarom dat tot nog toe een belangrijke factor over het hoofd is gezien bij het modelleren van een schaats die over het ijs glijdt. Die factor is de druk die de schaatser op het ijs uitoefent. Die kan enorm zijn, omdat het hele gewicht op een klein contactoppervlak rust. De passerende schaats maakt daardoor een voor in het ijs. In stilstand zakt het ijzer het meest in het ijs, maar ook bij enige snelheid ploegt het ijzer aan de voorkant door het ijs. Dat geeft wrijving. Ploegweerstand, noemt Van Leeuwen het.

En daar zit de crux van zijn theorie. Die ploegweerstand hangt af van de snelheid. Sterker, die neemt af, omdat de schaats bij hoge snelheid geen tijd heeft om diep in het ijs te zakken. En daar komt het tweede schaatscadeau van Moeder Natuur: uit de sommen van Van Leeuwen blijkt dat de toename van wrijving in de waterlaag precies wordt gecompenseerd door minder ploegweerstand. 'Het systeem stelt zichzelf in', zegt Van Leeuwen opgetogen.

Op de mechanische glijbaan van Oosterkamp in het Leidse lab is het in principe allemaal te meten: de voor die de passerende schaats in het ijs maakt wordt elektrisch gemeten, de hoeveelheid water via een elektromagnetische meting die ijs van water onderscheidt. Nu is het wachten op meer werkwillige studenten, maar eigenlijk droomt Oosterkamp van een promovendus die het uitzoekt.

null Beeld
Beeld

Het geld ervoor, fantaseert hij hardop, zou misschien via crowdfunding bij elkaar kunnen worden gebracht. Of een welgestelde oud-Elfstedentochtrijder als koning Willem Alexander. Bij zijn kroning droeg hij niet voor niets zijn kruisje, toch?

Het olympisch schaatstoernooi in Pyeongchang is zaterdag begonnen, dus daarvoor zou een experimenteel bewijs van Van Leeuwens theorie hoe dan ook te laat komen. Maar voor de toekomst sluit Oosterkamp niks uit. 'Als je een goeie theorie hebt kun je gaan zoeken naar optima, naar de beste match tussen de ijskwaliteit en het ijzer. Of toch in de vorm of structuur van je ijzers. Misschien zelfs dat je voor de wedstrijd nog even met een laser het geschikte nanopatroon in je ijzers zapt, ik weet het niet.'

Waarbij de eerlijkheid gebiedt te zeggen, dat de glijweerstand met het ijs maar iets van 10 procent van de energie van de schaatser opsoupeert. Verreweg het grootste aandeel is luchtweerstand, die gewoon volgens de boekjes kwadratisch met de snelheid toeneemt. Geen raadsel, maar de oplossing daarvoor is een wetenschap op zich.

Of moleculen?

Water laat bij het schaatsen de ijzers over het ijs glijden, maar over hoeveel water zijn wetenschappers het verre van eens. Eind vorig jaar publiceerden onderzoekers van het Amolf-laboratorium in Amsterdam metingen waarin ze laten zien dat uitstekende watermoleculen in keihard bevroren ijs nog steeds eigenschappen van vloeibaar water vertonen. Een film van die moleculen, een miljoenste millimeter dik, is volgens de onderzoekers al genoeg voor een soepele slag.

De 23ste Winterspelen zijn begonnen. Nu het vuur is ontstoken, zullen de discussies over doping en Noord-Korea verstommen. Wat wint: de politiek of de sport? (+)

Drie keer ging het mis bij Sven Kramer, nu wil hij drie keer goud - is die druk wel verstandig? Twee sportpsychologen lichten toe. (+)

Hier vindt u nog meer mooie verhalen over de Olympische Winterspelen.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden