Ik word zo rustig van de cadans van het schaatsen’, zegt Tjerk Oosterkamp (50). Hij zit in de pauzeruimte die uitkijkt op de machines in het Kamerlingh Onnes Laboratorium en begint op zijn stoel van links naar rest te wiegen alsof hij op noren over een bevroren meer glijdt.
‘Je leunt in zo’n slag, het hele lichaam neemt dat ritme aan. Als je stabiel staat, kun je ook heel lange slagen maken, dan schaats je met een frequentie van iets meer dan een seconde. Slag, eenentwintig, slag, tweeëntwintig, slag. Soms hoor je dan het knallen van het ijs: Kggggghhh, kggggghhh. Van dat geluid word ik gelukkig.’
De hoogleraar experimentele natuurkunde onderzoekt hoe materialen zich gedragen rond het absolute nulpunt (zie kader), maar is ook bovenmatig geïnteresseerd in de fysica van schaatsen. Beneden in het lab staat een rechthoekige doos die doet denken aan een couveuse, met daarin mechaniek om een stukje schaatsijzer over ijs te laten glijden en allerlei metingen te verrichten. Oosterkamp: ‘Het is alsof Sneeuwwitje is opgebaard in haar glazen kist.’
Oosterkamp en zijn collega Hans van Leeuwen (90), emeritus hoogleraar theoretische natuurkunde, onderzochten waarom ijs glad is en waarom je er zo goed op kunt schaatsen.
En, ook belangrijk, kan het nog harder?
Hardnekkige folklore
‘Het begon met een eerstejaarsstudent’, vertelt Oosterkamp. ‘Zij kreeg een prijs voor de hoogste cijfers dat jaar, maar wist eigenlijk niet wat er allemaal in het lab gebeurde. “Loop dan een keer mee”, zei ik toen. We hadden het over hoe ski’s werken: je staat stil, maar na een klein rukje om op gang te komen wordt de sneeuw ineens heel glad. Vervolgens dachten we: hoe zit dat met schaatsen?
Van Leeuwen: ‘De vraag waarom een schaats zo makkelijk over ijs glijdt, wordt al eeuwen gesteld. De populaire verklaring was dat onder druk van het ijzer zich een klein laagje water vormt op het ijs. Maar dat het door druk komt, is hardnekkige folklore: als je het berekent, klopt het helemaal niet. Je kunt bij min tien namelijk nog heel vrolijk schaatsen. Je hebt een ongelooflijk hoge druk nodig om een zogeheten vriespuntsverlaging van tien graden te krijgen.’
Er zijn twee verschijnselen die wellicht samenspannen, vermoeden de natuurkundigen. ‘Een school zegt dat de gladheid komt door de speciale oppervlaktekenmerken van water’, aldus Van Leeuwen. ‘Er zit altijd een microscopisch laagje water op het ijs, waardoor het zo glad is. Dat zal zeker helpen, maar is niet het enige effect.’
Oosterkamp: ‘Olympisch kampioen Kjeld Nuis haalde vorig jaar op een meer in Noorwegen achter een auto met een speciaal windscherm een wereldrecord van 103 kilometer per uur.’
Van Leeuwen: ‘Wij hebben ook naar een ander effect gekeken: bij wrijving komt warmte vrij, en die smelt het ijs. Je rijdt op het laagje water dat je zelf smelt door de wrijving. Dat is een heel mooi mechanisme, want het is een soort zelfterugkoppeling. Als je hard schaatst, dan is er veel wrijving. Het laagje water wordt steeds dikker, met als gevolg weer minder wrijving.’
‘IJs is heel bijzonder want de vaste stof van water drijft op de vloeistof als het aan het smelten is’, legt Oosterkamp uit. ‘‘Er is vrijwel geen ander materiaal met dat kenmerk. Het blijft ook heel hard tot vlak bij het smeltpunt. Dat zorgt ervoor dat je een laagje water krijgt op een heel harde ondergrond. Je kunt dus goed glijden én hard afzetten.’
De schaats vervormt het ijs ook, legt Van Leeuwen uit. ‘Als je over een mooi gladde ijsvloer schaatst, laat je een kras achter. Iemand die langzaam gaat, ploegt meer door het ijs dan een persoon die snel schaatst. Als je echt snel gaat, is het net als aquaplaning van een auto op een nat wegdek: het water kan niet onder de band vandaan en de auto begint te glijden. Bij schaatsen zie je een vergelijkbaar fenomeen. Als je deze effecten bij elkaar optelt, krijg je een wrijving die niet erg van de snelheid afhangt. Dat verklaart waarom je zo snel kan blijven schaatsen.’
Gekke professor
‘De meeste wrijving waarmee een schaatser te maken heeft, is lucht’, vertelt Oosterkamp. ‘Maar als je de wrijving van de ijzers met tien procent kan verlagen, dan zou je de totale wrijving van een schaatser wellicht met een procent kunnen verminderen. Het maakt wel degelijk uit hoe breed een ijzer van een schaats is. Hans heeft uitgerekend dat de optimale breedte ongeveer een millimeter is.’
Al is dat per persoon verschillend, vult Van Leeuwen aan. ‘Esmee Visser, Olympisch kampioen op de 5000 meter in 2018, is een heel lichte vrouw. Veelvoudig wereldkampioen allround Rintje Ritsma is heel zwaargebouwd.’
Oosterkamp: ‘Lichte schaatsers moeten niet op dezelfde ijzers staan als zware. Ik denk dat je moet variëren tussen 0,6 en 1,2 millimeter. De optimale vorm en temperatuur van ijzers, dat zijn allemaal zaken die nog moeten worden uitgezocht. Ik heb in 2018 wel navraag gedaan hoe ik in contact kon komen met de schaatsploegen om hen te vertellen over onze bevindingen, maar toen las ik net een interview over hoe sporters zich voorbereiden op de Olympische Spelen. Dat doe je door de juiste focus te hebben: alle randzaken moeten weg. Je moet dan niet een gekke professor hebben die tegen schaatsers zegt: “Misschien moet je dunnere ijzers gebruiken.” Het is nog veel te vroeg om de wijsneus uit te hangen bij een coach. Ik neem pas contact op als er duidelijke resultaten zijn.’
Genoeg raadsels
Er zijn namelijk nog raadsels genoeg. ‘Een van de zaken die we nog niet op orde hebben, is de slag. Daarbij maakt de schaats verschillende hoeken ten opzichte van het ijs. Daar moet je ook rekening mee houden. Hans heeft de theorie uitgewerkt. Ik moet de schaats ook scheef kunnen zetten in de testopstelling, en de krachten ook aanpassen.’
Met een ‘soort slee’ zou hij metingen op een echte ijsbaan willen doen. ‘Ik heb wel eens met voorlichters van de universiteit gesproken over een crowdfunding, maar inmiddels ben ik totaal opgeslokt door andere experimenten.’
Voorlopig moeten schaatsers dus nog even geduld hebben. ‘De kist staat te wachten op een student die zegt: “Ik wil dit schaatsexperiment doen.” Sneeuwwitje is aan het slapen.’
Natuurijs is het summum voor Tjerk Oosterkamp. ‘Als er ijs ligt, werk ik halve dagen; ik doe alleen de hoogst noodzakelijke dingen. Afgelopen december heb ik twee dagen op het ijs gestaan. Bij Elburg kon je 2.5 kilometer rechtdoor schaatsen.’
Altijd in zijn achterhoofd: de Elfstedentocht. ‘Het lidmaatschapskaartje van de Koninklijke Vereniging De Friesche Elf Steden zit in mijn portemonnee. Mijn vader heeft hem een aantal keer geschaatst, mijn oudere broer ook twee keer. De laatste keer, in 1997, was ik ziek, en nog geen lid.’
Hans van Leeuwen: ‘In 1963 heb ik erover gedacht om ’m te rijden. Achteraf was ik blij dat ik wat anders te doen had, want dat was een ijskoude helletocht. Ik heb één keer meegedaan met de Elfmerentocht in Friesland van iets van 120 kilometer. De omstandigheden waren ideaal. Min vijf, zon, geen wind en heel veel juichende Friezen.’
Priemen om de nek
Oosterkamp: ‘Mijn langste tocht is iets van honderd kilometer. Ik herinner me een tocht van veertig of vijftig kilometer toen ik een jaar of elf was. Ik werd toen de laatste tien kilometer huilend door mijn oudere broer voortgesleept. Mijn vader hielp mijn zus.’
Hij neemt de nodige veiligheidsmaatregelen als hij het ijs op gaat. ‘Om mijn nek hangt iets wat lijkt op een telefoonsnoer, daaraan zitten twee priemen in elkaar gestoken. Als ik door het ijs zak, kan ik mezelf uit het wak trekken door die in het ijs te slaan.’
Als kind raakte hij al eens in een wak. ‘Het lukte me toen niet om er alleen uit te komen. Het besef dat ik het zonder hulp niet zou redden, was best eng. Ik was gelukkig samen met mijn zus en andere kinderen, die trokken mij eruit. Ik herinner me nog dat ik op natte sokken naar huis rende. Thuis ben ik in bad gegaan om weer op te warmen en daarna ben ik weer gaan schaatsen, natuurlijk.’
‘Dit is de ultieme ijskast’, zegt Tjerk Oosterkamp. De hoogleraar experimentele natuurkunde staat voor een machine die bestaat uit een aantal metalen schijven die naar de grond toe steeds kleiner van diameter worden.
‘Dit is het koudste, meest trillingsvrije plekje op aarde, als het gaat om de frequentie – 10-1000Hz – waar wij onderzoek naar doen. Als je ergens de beste in wilt zijn, dan helpt het als je voor een kleine niche kiest. Met deze koelmachine doen we experimenten waarbij we uitzoeken of objecten op twee plekken tegelijkertijd kunnen zijn. We hebben het nu voor elkaar gekregen om de temperatuur van min 273,149 graden Celsius te bereiken. Het absolute nulpunt is 273,150 graden.
‘In de machine zit een soort duikplank met daaraan een magneetje van ongeveer een micrometer. Dat proberen we zo koud mogelijk te maken zodat het helemaal stil komt te staan. Dan gaan we deze krachtsensor tegelijkertijd naar links en naar rechts verplaatsen. Het is een magnetisch experiment waarin we het magnetisme van een elektron gebruiken, en dat elektron kan twee dingen tegelijk. De magnetische noordpool wijst naar boven én naar beneden. Het kan het magneetje op de krachtsensor tegelijkertijd aantrekken en afstoten.’
Verslaafd aan de rush
In de geavanceerde machine zitten groene en rode blokjes die verdacht veel lijken op… Lego. ‘Dat is het ook’, zegt Oosterkamp. ‘Iemand zei een jaar of twee geleden: “Lego geleidt heel slecht warmte, dat scheelt 14 milliKelvin ten opzichte van ander materiaal.” Nou, toen hebben we de steentjes geïmplementeerd.
‘Experimenteren werkt adrenalineverhogend. Als iets lukt, vieren we het ook. Succes is echter zo zeldzaam. Ik ben verslaafd aan de rush van dat het-zou-kunnen-lukken. Dat heeft ook iets ongezonds. Ik denk er altijd over na, ben er bijna altijd mee bezig. Als we de zaak weer gaan afkoelen voor een experiment, kom ik in het weekend ervoor met een grote glimlach op mijn gezicht hier de voorbereidingen doen. Dan sta ik echt te springen van enthousiasme. Doet het apparaat het, of niet? Zo ja, dan staan ons weer nieuwe verrassingen te wachten.’