احتمالا شما نیز در بازی‌های ورزشی زمستانی و برای مثال در همین المپیک زمستانی اخیر توجهتان به ورزشی با نام کرلینگ جذب شده باشد. شاید شما نیز پس از دو هفته تماشای آن بازی قانع شده‌ باشید که کرلینگ را نیز به‌عنوان یک بازی ورزشی در ذهن خود طبقه‌بندی کنید؛ ولی مسلما همه‌ی ما روی این موضوع اتفاق نظر داریم که کرلینگ سبک و سیاق ورزش‌های باستانی و متداول المپیک را ندارد و اندکی متفاوت است. از میان ورز‌ش‌های باستانی، برای مثال شاید کمانداری (تیراندازی با کمان) خسته‌کننده باشد و زیاد هیجان‌انگیز نباشد؛ ولی دست کم می‌دانیم که تیراندازی با کمان جزو ورزش‌هایی است که آرتمیس، الهه‌ی یونان باستان آن را انجام می‌داده است! ورزش هاکی هم احتمالا مورد علاقه خدای دیگری به‌نام آرس بوده است! هرمس هم شاید یک لباس لژسواری در کمدش داشته باشد. اما دلیل اینکه رشته‌ی ورزشی کرلینگ (با تمام احترامی که برای ورزشکاران این رشته قائلیم) در المپیک زمستانی وجود دارد، چیست؟

باید بگوییم گروهی از دانشمندان هم همین سوال برایشان مطرح است و اخیرا هم توضیح این مسئله به‌حالت رقابتی درآمده است. قوانین اصلی بازی عبارت‌اند از: دو تیم که توپ گرانیتی حدود ۴۰ پوندی (تقریبا ۲۰ کیلوگرم) را روی یک خط یخی به‌سمت مرکز یک هدف افقی پرتاب می‌کنند. زمانی‌که این سنگ به حرکت درمی‌آید، آرام شروع‌ به چرخیدن می‌کند. چرخش باعث می‌شود که توپ به یک سمت انحنا پیدا کند. اگر شما پرتاب‌کننده‌ی سنگ باشید، می‌توانید سنگتان را طوری نشانه‌گیری کنید که راه سنگ تیم رقیب را مسدود کند و آن را از مسیر خارج کند. اگر بر انحنا و چرخش تسلط داشته باشید، به بازی تسلط پیدا می‌کنید. هم‌تیمی‌های شما می‌توانند برای اینکه به‌ سنگ مورد نظر در رسیدن‌به هدف کمک کنید، از جاروهای خاصی استفاده کنند و یخ جلوی سنگ را جارو کنند، یخ را گرم کنند، اصطکاک را کاهش دهند و باعث شوند که سنگ بیشتر جلو برود.

مارک شگلسکی، فیزیکدانی در دانشگاه بریتیش کلمبیای شمالی و یک بازیکن کرلینگ در سطح تفریحی اخیرا گفت:

این کار بسیار سخت‌تر از چیزی است که فکر می‌کنید. این بازی شبیه‌ به گلف است. تماشای کسی‌که به توپ گلف ضربه می‌زند بسیار آسان است و فکر می‌کنید که کار او زیاد هم ورزشکارانه نیست؛ ولی وقتی خودتان بازی کنید متوجه می‌شوید که چقدر کار سختی است.

درک اینکه چرا این کار آنقدر سخت است و اینکه چرا سنگ چنین چرخشی دارد، بسیار مشکل است؛ تا جایی که خود شگلسکی دو دهه برای یافتن آن تلاش کرده است.

برخلاف یخ پیست ورزش اسکیت که تا حد ممکن هموار است (به‌اصطلاح یخ سوخته)، یخ کرلینگ اصلا هموار نیست. وسط بازی‌ها، قطرات آب را روی یخ‌ها اسپری می‌کنند تا دست‌اندازهایی میکروسکوپی به‌وجود بیاورند. همان‌طور که همه‌ی بازیکنان کرلینگ هم می‌دانند، این کار برای رشته کرلینگ ضروری است؛ چراکه اگر انجام نشود، چرخشی هم به‌وجود نمی‌آید. اینجا درواقع همان‌جایی است که دیگر نمی‌توان با قطعیت از چیزی سخن گفت. شگلسکی گفت که کرلینگ در اکثر جنبه‌ها، منطق مرسوم را رد می‌کند.

پایین سنگ کرلینگ شبیه‌ به پایین بطری آبجو است. از آنجایی‌که پایین سنگ مقعر است، تنها روی حلقه‌ی باریکی (که به آن باند حرکتی گفته می شود) با یخ در تعامل است. اگر بطری آبجو یا یک لیوانی که ته آن صاف نباشد را روی یک میز بچرخانید دو حالت به‌وجود می‌آید: اگر این جسم به‌سمت راست بچرخد (جهت عقربه‌های ساعت) به‌سمت چپ انحنا پیدا خواهد کرد و اگر به‌سمت چپ بچرخد، به‌سمت راست انحنا پیدا خواهد کرد. دلیل چنین روندی این است که بطری با حرکت روبه‌جلوی خود کمی به‌سمت جلو میل پیدا می‌کند و همین امر باعث می‌شود که به وزن لبه‌ی مقدم افزوده شود. هرچه وزن بیشتر شود اصطکاک و سایش بیشتر می‌شود. وقتی لبه‌ی مقدم به‌سمت راست برود، با مقاومت بیشتری نسبت‌ به لبه‌ی پشتی مواجه می‌شود و به‌سمت چپ انحنا پیدا می‌کند. بنابراین بطری با چرخش به‌سمت راست به‌دنبال مسیری می‌گردد که مقاومت کمتری داشته باشد، به‌همین دلیل به‌سمت چپ انحنا پیدا می‌کند.

اما جالب است که بدانید سنگ کرلینگ دقیقا برعکس بطری عمل می‌کند: یعنی وقتی به‌سمت راست می‌چرخد به‌همان سمت هم انحنا پیدا می‌کند و برعکس. شگلسکی گفت بعد از یک بازی در کافه‌ای با دوستانش نشسته بود. وی لیوانی را به‌سمت آنها هل داده است:

برخلاف انتظار آنها لیوان به‌‌سمتی انحنا پیدا کرد که آنها انتظار نداشتند. همه بازیکنان کرلینگ گفتند که چگونه این کار را کردی؟

تمامی رفتار حرکتی سنگ کرلینگ برخلاف سازوکار حرکتی لیوان و بطری است. اگر یک بطری به‌دلیل اصطکاک بیشتر در جلو نسبت‌ به عقب، به‌سمت چپ انحنا پیدا کند، یک سنگ کرلینگ به‌دلیل اصطکاک بیشتر درعقب نسبت‌ به جلو، به‌سمت راست انحنا پیدا خواهد کرد. اما دلیلش چیست؟ نظریه‌های مختلفی تحت اصطکاک نامتقارن مطرح شده‌اند که یکی‌ از آنها در اواخر دهه‌ی ۱۹۹۰ توسط خود شگلسکی مطرح شد. شگلسکی در نظریه‌اش گفت که سنگ کرلینگ هم مانند بطری، هنگام حرکت کمی به‌سمت جلو متمایل می‌شود. فشار کار موجب گرم شدن یخ می‌شود و غشای باریکی از آب را تشکیل می‌دهد. آب مانند روان‌کننده عمل می‌کند و اصطکاک جلو را کاهش و اصکاک عقب را افزایش می‌دهد.

این نظریه که مشهور‌ به مدل غشای مایع نازک است چندین سال نظریه‌ی غالب بود. اما سوالات دیگری هم علاوه‌ بر دلیل و چرایی موضوع وجود دارد. یکی‌ از این سوالات مربوط‌ به میزان و مقدار انحنا است. یک سنگ کرلینگ می‌تواند تا ۱/۵ متر به هر طرفی جابه‌جا شود. واضح است که انحنا به‌دلیل چرخش است، چراکه اگر سنگ بدون چرخش پرتاب شود، انحنایی به‌وجود نمی‌آید. اما در بازی‌های کرلینگ یک سنگ معمولی درمسیر طولانی‌اش تنها چندین بار می‌چرخد و اصطکاک نامتقارن نیروی کافی برای به‌وجود آوردن انحنا را تولید نمی‌کند. حتی عجیب‌تر این است که میزان انحنا ثابت است و فرقی نمی‌کند که سنگ ۲ بار بچرخد یا ۲۰ بار. هارالد نایبرگ، دانشمند مواد و کارشناس اصطکاک در دانشگاه اوپسالای سوئد گفت:

این مدل‌ها جواب نمی‌دهند، چون‌ اثر به‌وجود‌آمده هرگز آنقدر قوی نخواهد بود که بتواند چیزهایی را که می‌بینیم توضیح دهد.

نایبرگ در ژوئن سال ۲۰۱۳ به‌همراه همکاران خود نظرش را در ژورنال Tribology Letters (منظوراز واژه تریبیولوژی، علم اصطکاک است) منتشر کرد. کمی قبل‌تر، آنها در ژورنال Wear مدلی پیشنهاد داده بودند که مشهور‌ به نظریه‌ی هدایت توسط خراش بود. پژوهشگران با استفاده‌ از یک میکروسکوپ الکترونی نشان دادند که وقتی سنگ کرلینگ حرکت می‌کند، خراش‌هایی را در مسیر چرخش خود روی یخ باقی می‌گذارد. خراش‌ها توسط لبه‌ی جلویی باند حرکتی به‌وجود می‌آیند؛ ولی وقتی لبه‌ی پشتی با این خراش‌ها مواجه می‌شود، تمایل دارد که آنها را دنبال کند. تمایل به‌دنبال کردن خراش‌ها باعث می‌شود که سنگ هم‌جهت با چرخش، انحنا پیدا کنند. گروه نایبرگ در آزمایش‌های بعدی متوجه شدند که اگر خودشان خراش‌هایی در جهات مختلف در یخ به‌وجود بیاورند، می‌توانند انحنا و مسیر سنگ را تغییر دهند؛ حتی اگر سنگ نچرخد. آنها یک خط از یخ را در یک مسیر مشخص خراش دادند و کمی دورتر مسیر را عوض کردند. وقتی سنگ را پرتاب کردند سنگ یک‌ بار به مسیر اول انحنا پیدا کرد و یکبار هم درمسیر دوم. نایبرگ گفت:

تمامی این چیزها به سازوکاری که ما احساس می‌کردیم معقول است، اضافه شد.

نایبرگ احساس می‌کرد که می‌تواند جدالی را که قبلا به‌وجود آمده بود، حل کند. جدال بر سر استفاده‌ی بازیکنان از جاروهایی بود که به‌جای گرم کردن یخ، آن را خراش می‌دهند و باعث می‌شود که بازیکنان انحنا را کنترل کنند. فدراسیون جهانی کرلینگ، جاروهای فرانکن‌بروم را ممنوع کرد. نایبرگ گفت:

فکر نمی‌کنم که آنها مقاله‌ی ما را خوانده باشند.

یکی‌ از افرادی که مقاله نایبرگ را خواند، شگلسکی بود. او در ژانویه‌ی سال ۲۰۱۶ اظهاراتی در Tribology Letters نوشت که مدل‌های اصطکاک نامتقارن را رد می‌کرد. نایبرگ و همکارانش به‌سرعت جواب او را دادند و نکات قبلی را تکرار کردند. وقتی با شگلسکی صحبت کردم اظهار کرد، درست است که نظریه‌ی هدایت توسط خراش جذاب است، ولی نظریه‌پردازان تلاشی برای نشان دادن اینکه مکانیزم می‌تواند یک انحنای یک متری ایجاد کند نکردند و توضیح زیادی درمورد اینکه چرا انحنا بدون در نظر گرفتن میزان چرخش ثابت باقی می‌ماند، ارائه نکردند. او گفت:

حقیقت این است که در یک نظریه، باید نتایج کمّی ارائه دهید، ولی در این نظریه نتایج کمی‌ای وجود ندارد.

اخیرا شگلسکی با ادوارد لوزوسکی، فیزیکدان و دانشمند جوی در دانشگاه آلبرتا تیمی تشکیل داده است تا معمای کرلینگ را دوباره بررسی کند. لوزوسکی چند سال پیش مقالاتی درخصوص علم بابسلد و اسکیت سرعت منتشر کرده بود. شگلسکی گفت:

ادوارد جادوگری در فیزیک یخ است.

این دو به‌همراه یکدیگر توضیح بهبودیافته‌ای را ارائه دادند و آن را در آخرین سری فناوری و علوم مناطق سرد (Cold Regions Science and Technology) مطرح کردند. آنها نام مدل خود را مدل لغزش محوری گذاشتند. وقتی با لوزوسکی در اسکایپ صحبت کردم [نویسنده متن اصلی]، شانه‌ای در دست داشت. وی انگشتش را روی دندانه‌های شانه کشید و گفت نیروی انگشت من دندانه‌ها را خم می‌کند. وقتی نیروی انگشت من نسبت‌ به نیروی کششی دندانه‌ها کمتر شود، دندانه‌ها به‌حالت قبلی برمی‌گردند. به این پدیده، اصطکاک لغزشی-ارتعاشی (حرکت پی‌درپی به صورت گیر کردن و رها شدن) می‌گویند. همین نیرو وقتی گرفتار شود و بخواهد حول محور مانع بچرخد، باعث به‌وجود آمدن یک برش دایره‌ای می‌شود. لوزوسکی توضیح داد:

هربار که باند حرکتی به یک ناهمواری می‌رسد، طبق آن تغییر می‌کند و از آنجایی‌که یخ حالت کشسانی دارد، این ناهمواری منحرف می‌شود و دوباره سرجای خودش برمی‌گردد و سنگ به‌حرکت خودش ادامه داده و موقع انحنا می‌چرخد.

ناهمواری‌ها و محورها بسیار زیاد هستند. لوزوسکی و شگلسکی برآورد کردند که نتیجه‌ی خالص با انحنای یک متری سنگ هم کافی است. آنها تاکید کردند که هنوز باید پژوهش‌های زیادی انجام دهند، مدل‌های یخ کرلینگ را بسازند و تعداد ناهمواری‌های هر واحد را اندازه‌گیری کنند. لوزوسکی گفت:

ممکن است همه چیز اشتباه باشد، ولی اینکه درست باشد یا خیر مهم نیست، مهم این است که می‌توان آن را تست کرد.

نظریه‌ی نایبرگ برای آنها زیاد متقاعدکننده نبود. لوزوسکی گفت:

اگر راستش را بخواهید، واقعا درک نمی‌کنم که آنها به‌ چه‌ نتیجه‌ای رسیده‌اند.

شگلسکی گفت:

منظورمان این نیست که باور داشته باشیم ما مسئله را کاملا حل کرده‌ایم. اینکه سنگ کرلینگ دقیقا چه کار می‌کند بسیار پیچیده‌ است و عوامل زیادی در آن نقش دارند.

او گفت که اگر مسیر سنگ براساس چندین سازوکار شکل بگیرد اصلا تعجب نمی‌کند: یک سازوکار درابتدای لغزش سنگ است، دیگری دروسط مسیر و شاید هم یکی دیگر درانتهای مسیر. او گفت:

حل کردن این مسئله به بیش‌ از دو نفر نیاز دارد. ما همگی باید به‌یکدیگر کمک کنیم.