Infrastruktur
Mit der
Gründung der Forschungsgruppe Schneesport & Industrieprojekte Ende der 90er Jahre begann ein langjähriger Aufbau von Laborprüfständen und mobilen
Messgeräten mit dem Ziel, eine umfassenden Charakterisierung der physikalischen
Eigenschaften des Ski-Bindungssystems sowie von Pistenschnee zu ermöglichen.
Basierend auf einer genauen Beschreibung der Einzelkomponenten, wurde es möglich
Fragestellungen zur Ski-Schnee-Interaktion experimentell zu untersuchen.
Neben einigen
kinematischen Messsystemen für sportbiomechanische Untersuchungen sowie Messmittel
für Versuche im Bereich der technischen Schneeproduktion erweitert insbesondere
der Zugang zu Infrastruktur anderer Forschungsgruppen die Methodenkompetenz des Teams.
Die im Folgenden beschriebene Infrastruktur sowie die in Verbindung dazu aufgebaute Anwendungskompetenz
ist ein wichtiges Instrument für erfolgreiche Beiträge zu aktuellen Forschungs-
und Produktentwicklungsprojekten im Kontext des Systems Gleitsportgerät -
Pistenschnee - Athlet.
A) Eis- und Schneetribometer
B) Skiprüflabor
Mechanische Eigenschaften von Ski und Snowboards
Belagseigenschaften
C) Mobile Messgeräte
Wetter- und Schneeeigenschaften
Ski-Schnee-Interaktion
Biomechanik
Technische Schneeproduktion
D) Software
A) EIS- und SCHNEETRIBOMETER
- Gleiteigenschaften von Stoffen & Oberflächen
Messaufbau
Der Schnee-
und Eistribometer besteht aus einem 1.80 m breiten, rotierenden Tisch und zwei
separaten Armen: Einer dient der Präparation der Gleitoberfläche, am anderen wird
die Materialprobe über einen biaxialen Linerantrieb auf die Gleitfläche
gedrückt. Dabei werden Normalkraft (DMS) und Reibungskraft (piezoelektrisch) gemessen.
- Die Gleitgeschwindigkeit kann zwischen 0.5 und 20 m/s, die
Temperatur zwischen -20°C und 0°C eingestellt werden
- Die Eis- bzw. Schneetemperatur wird mit zwei Infrarot-Temperatursensoren
gemessen
- Präparation verschiedener Unterlagen: glattes Eis, strukturiertes Eis und
Schnee
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Messergebnis
Das
Messgerät ermöglicht reproduzierbare Messungen der Gleiteigenschaften von
Skibelägen, Skifellen, Belagspräparationen oder Kufen unter kontrollierten,
konstanten und realistischen Rahmenbedingungen. Es ist nun möglich „Gleittests“ 365 Tagen pro Jahr unabhängig
vom Testsfahrer und den Wetterbedingungen durchzuführen. Dies bedeutet auch weniger finanziellen
Aufwand für Materialtests.
Anwendungen
- Vergleich
der Gleiteigenschaften verschiedener Belags- bzw. Polymertypen
- Vergleich
der Wirkung verschiedener Wachse auf die Gleiteigenschaften eines Belags
- Vergleich
der Eigenschaften verschiedener Schliffe
- Einfluss von
Oberflächenbehandlungen auf die Gleiteigenschaften
B) SKIPRÜFLABOR - Mechanische
Eigenschaften von Ski und Snowboards
Biegetest
Messaufbau
Der Ski ist vorne und hinten frei beweglich auf zwei Rundstählen gelagert. Die Kraft wird über einen elektromechanischen Linearantrieb bis zum Erreichen einer vorgegebenen Kraft aufgebracht. Während des Ausfahrens wird
die Skidurchbiegung an der Position der Kraftaufbringung gemessen. Vor und nach
der Kraftaufbringung wird die Form des Skis (Verschiebung) mit einem Laser
abgefahren und registriert. Die Messung kann sowohl mit als auch ohne Bindung
erfolgen.
Messergebnis
Die Biegeprüfung
liefert neben dem nach DIN ISO 5902 definierten Biegekennwert auch die
Biegelinie (Form des belasteten Ski) im belasteten und unbelasteten Zustand
woraus die Biegesteifigkeitsverteilung abgeleitet wird. Zudem ermöglicht die
kontinuierliche Aufzeichnung von Kraft und Verschiebung auch die Prüfung der Linearität
der Skisteifigkeit. Die
statistische Streuung des Biegekennwertes von nacheinander
durchgeführten Messungen liegt unter 1.5 %.
Anwendungen
- Auswirkungen
von Skiaufbau und -geometrie auf Biegesteifigkeit und Biegeform
- Auswirkungen von
Bindungen und Plattensystemen auf Biegesteifigkeit und Biegeform
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Torsionstest
Messaufbau
Der Ski
wird an der Skischaufel respektive am Skiende drehbar gelagert und im Bereich
der Skimitte fix eingespannt. Zur Torsion wird mit Hilfe der Krafteinheit ein
Drehmoment aufgebracht bis ein vordefiniertes, maximales Drehmoment respektive
ein maximaler Verdrehwinkel erreicht wird. Wirkendes Drehmoment und
Verdrehwinkel werden kontinuierlich elektronisch erfasst. Die Messung kann mit
und ohne Bindung durchgeführt werden.
Messergebnis
Ausgegeben
wird der Torsionskennwert gemäss DIN ISO 5902. Zudem kann durch die
kontinuierliche Aufzeichnung die Linearität der Torsionssteifigkeit überprüft werden. Die
statistische Streuung des Torsionskennwert bei nacheinander durchgeführten
Messungen liegt unter 1.5 %.
Anwendungen
- Auswirkungen von Skiaufbau und -geometrie auf die Torsionssteifigkeit
- Auswirkungen von Bindungen und Plattensystemen
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Flächendruckverteilung
Messaufbau
Herzstück
des Gerätes ist eine mit 6 (quer) x 26 (längs) DMS-Kraftaufnehmern bestückte
Sensorfläche. Das auszumessende System wird auf die Fläche aufgelegt und mit
Hilfe eines Elektromotors belastet. Die Kraft (max. 600N) wird senkrecht zur
Sensorfläche aufgebracht und über die Summe der gemessenen Einzelkräfte
kontrolliert.
Messergebnis
Kraftverteilung
unter der Lauffläche (1D oder 2D) bzw. unter Einbezug der Sensorabstände können
auch Druckwerte ausgegeben werden. Für
Wiederholungsmessungen des gleichen Systems liegt die Streuung der lateral aufsummierten
Kraftwerte (jeweils 6 Sensoren) unter 1%.
Anwendungen
- Auswirkungen
von Skiaufbau und -geometrie auf die
Druckverteilung
- Auswirkungen
von Bindungen und Plattensystemen
- Paarung von
Ski
- Veränderung
der FDV während der Saison
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Kantendruckverteilung
Messaufbau
Der Ski
wird mit einem frei wählbaren Aufkantwinkel aufgekantet bis eine vordefinierte
Einleitungskraft erreicht ist. Die Verformung und die Widerstandskraft des
Schnees werden dabei über 15 bewegliche Lagerungspunkte simuliert. Über einen Regelkreis stellen
sich Kraft und Verformung an den Lagerungspunkten gemäss dem programmierten
Kraft-Verformungsgesetz des Schnees ein. Ist die Einleitungskraft vollständig
auf die Lagerungspunkte verteilt, erfolgt die Messung der
Kantendruckverteilung via DMS. Über eine Parametrisierung des Schneegesetzes
können unterschiedliche Pistenhärten simuliert werden.
Messergebnis
Ausgegeben wird die Kantendruckverteilung und die Skiverformung
(Biegung & Torsion).
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Anwendungen
- Kantendruckverteilung
von Ski auf verschieden harter Schneeunterlage bei verschiedenen
Aufkantwinkeln
- Durchbiegung
von Ski auf verschiedenen Schneeunterlagen
- Vergleich
der Eigenschaften von verschiedenen Skis oder Ski- Platte-Bindungssystemen auf
verschiedenen Schneeunterlagen
Schwingungsverhalten
Messaufbau
Für die
Messung wird der Ski im Bindungsbereich eingespannt. Die Einspannung ist so
gestaltet, dass Skis mit Bindung, mit Bindung und Platte oder auch Skis ohne
Bindung getestet werden können. Der Ski wird mittels einer Schlagvorrichtung
angeregt. Torsions- und Biegeschwingungen werden mit mindestens 2 unidirektionalen
Beschleunigungssensoren aufgenommen.
Messergebnis
- Gemessene
Signale der Beschleunigungssensoren
- Eigenfrequenzen
des Skis (Biege- und Torsionsfrequenz)
- Dämpfung zu
jeder Eigenfrequenz
- Streuung <
1% für die ersten 4 Eigenfrequenzen
- Streuung <
5% für den Dämpfungskoeffizient der ersten 2 Eigenfrequenzen
Anwendungen
- Auswirkungen
von Skiaufbau und -geometrie auf das Schwingungs-/Dämpfungsverhalten
- Auswirkungen
von Bindungen und Plattensystemen
- Paarung von
Ski
- Einfluss
der Temperatur auf das Schwingungsverhalten des Skis
- Einfluss
von neuen Werkstoffen auf das Schwingungs-/Dämpfungsverhalten
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SKIPRÜFLABOR - Belagseigenschaften
Benetzbarkeit
Messaufbau
Der Winkel
zwischen einem Wassertropfen und der Belagsoberfläche wird während der
Benetzung (Fortschreitwinkel) und der Entnetzung (Rückzugswinkel) gemessen (Droplet
Analyser System, Krüss GmbH, D). Je grösser der Winkel, desto schlechter
benetzbar ist der Ski. Der aufgetragene Wassertropfen wird während der
Vergrösserung respektive Verkleinerung gefilmt; das Bild laufend in den PC
eingelesen und über eine Bildverarbeitungssoftware ausgewertet (DSA1, Krüss GmbH,
D).
Messergebnis
Dynamische
Randwinkel (Fortschreit- und Rückzugswinkel) des Probenmaterials. Die Standardabweichung
der Messungen liegt unter 2%.
Anwendungen
- Benetzbarkeit
verschieden Polymertypen oder Oberflächenbehandlungen
- Einfluss
verschiedener Wachstypen auf die Benetzbarkeit des Belags
- Einfluss
der Oberflächenrauheit auf die Benetzbarkeit
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Eindringwiderstand (Härte)
Messaufbau
Das
Eindringverhalten in Polyethylen wird mit hoher Auflösung festgehalten. Dabei
wird ein halbkugelförmiger Indenter in den Belag getrieben. Die
aufgebrachte Kraft wird mit einem piezokeramischen Sensor kontinuierlich als Funktion der Eindringtiefe aufgezeichnet.
Messergebnis
Ausgegeben wird die Kraft
als Funktion der Eindringtiefe sowie als Vergleichsparameter der Belagshärte, der Kraftwert bei 10 mm Eindringtiefe.
Anwendung
- Einfluss
verschiedener Wachstypen
- Vergleich
verschiedener Belagstypen
Wärmeleitfähigkeit
Messaufbau
Das
Messgerät funktioniert nach der „Hot Wire Method“. Ein konstanter Heizstrom
wird über ein bekanntes Material in das auszumessende Material geleitet und die
Temperatur erfasst. Damit können Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität gemessen
werden. Mit dieser Methode wird die Wärmeleitfähigkeit bis zu einer Tiefe von
0.5 cm in den Ski gemessen. Man misst also die Wärmeleitfähigkeit der ersten
Skischichten und nicht nur des Belags.
Messergebnis
Wärmeleitfähigkeit
(l), Wärmekapazität (rc) und Temperaturleitfähigkeit (l/rc)
Die
Standardabweichung der Messungen liegt bei einer Wärmeleitfähigkeit von
0.9 W/mK unter 1 %.
Anwendungen
- Einfluss
verschiedener Wachstypen auf die Wärmeleitfähigkeit des Belags
- Vergleich
die Wärmeleitfähigkeit verschiedener Belagstypen
- Einfluss
der Skikonstruktion auf die gesamte Wärmeleitfähigkeit
C) MOBILE MESSGERÄTE
Schnee-
und Wetterparameter
Snow Spike (Schneehärte)
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Die
Pistenhärte ist ein wichtiger Parameter der Ski-Schnee-Interaktion und beeinflusst
zum Beispiel die Eindringtiefe des Skis beim Carven und damit somit die
Skidurchbiegung und letztlich den gefahrenen Kurvenradius.
Zur
Quantifizierung der Pistenhärte wird der Schneeeindringwiderstand mit dem extra
für Pistenschnee entwickelten SnowSpike
Penetrometer (Prototyp) gemessen. Dabei wird eine Kegelspitze oder eine
Zylinderfläche mit konstanter Geschwindigkeit in den Schnee gedrückt. Die Kraft
wird als Funktion der Eindringtiefe aufgezeichnet.
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Fast Snow Deformer
(Schneehärte, -zähigkeit)
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Der Fast Snow Deformer ist ein weiteres Messgerät
(Prototyp) zur Bestimmung des Schneeeindringwiderstandes. Der Unterschied zur oben
beschriebenen Messmethode besteht in der hohen Beanspruchungsgeschwindigkeit.
Der Aufbau entspricht zudem einem Schlagversuch - der Eindringkörper wird über
eine vorgespannte Feder beschleunigt und dringt dann ohne weiteren Antrieb ein.
Anhand der Kraft- und Wegmessung kann die aufgenommen Energie beim Eindringen
in den Schnee berechnet werden. Zudem kann der Schnee in unterschiedlichen
Winkeln penetriert werden.
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Infra Snow (Korngrösse)
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Ein Messgerät
(Prototyp) zur Bestimmung der Korngrösse des Schnees. Das Messprinzip nutzt den
Zusammenhang von Reflektivität (im Nahinfrarotbereich) und Schneestruktur
(Spezifischer Oberfläche). Unter der Annahme von eher runden Schneekörnern kann aus der spezifischen Oberfläche
dann die Korngrösse abgeleitet werden. Traditionell wird die Korngrösse
mithilfe einer Lupe und einem Rasterbrett bestimmt - eine Methode von
vergleichsweise geringer Objektivität.
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Schneedichte-/ feuchte
Messgeräte
Die vorhandenen
Messgeräte (Kleinserie entwickelt von A. Denoth Universität Innsbruck; Prototyp
entwickelt am SLF) messen die Dielektrizitätskonstante des Schnees, woraus die
Schneedichte bzw. die Schneefeuchte in Oberflächennähe abgeleitet werden kann.
Für die Bestimmung der Schneefeuchte muss die trockene Dichte des Schnees
abgeschätzt oder mit einer anderen Methode gemessen werden. Eine einfache Methode
der Dichtemessung ist das Wägen eines definierten Schneevolumens.
Mobile Wetterstationen
Die Wetterstationen
ermöglichen die kontinuierliche Messung von Windgeschwindigkeit und -richtung,
Schneeoberflächentemperatur, Luftfeuchtigkeit und -temperatur, eingehende und
reflektierte kurzwellige Strahlung sowie die langwellige Nettostrahlung an der
Schneeoberfläche. Mobile
Wetterstationen werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt (z.B.
Gleittests Ski Alpin oder Schneitests).
Ski-Schnee-Interaktion
Agenvis
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Mit diesem Messgerät können Ski in verschiedenen
Aufkantwinkeln in den Schnee gedrückt werden unter Messung der Widerstandskraft.
Am verbleibenden Abdruck im Schnee kann die Eindringtiefe und die Durchbiegung
festgestellt werden. Anstelle eines Skis kann auch eine Metallplatten als Penetrationsfläche
dienen. Das Gerät ermöglicht die Ermittlung des Kraft-Verformungs-Verhaltens
bei verschiedenen Pistenbedingungen. Für die starre Verankerung des Geräts
wurde am SLF ein spezielles Messfeld mit Fixierungsschienen gebaut.
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Messski Verformung
Zur Messung
der Bieg- und Torsionsverformungen beim Fahren wurde ein Riesenslalomski an 10
Positionen mit insgesamt 25 optischen Glasfasersensoren (Faser-Bragg-Gitter)
ausgestattet. Durch die geringe Masse der Glasfasersensoren und die minimale
Verkabelung (Sensoren in Serie geschaltet) bleiben die mechanischen Eigenschaften
des Skis unverändert. Zur Datenaufzeichnung muss vom Athlet ein zusätzliches
Gewicht von ca. 4 kg getragen werden.
Messski Temperatur
Zur Erfassung
des Temperaturanstiegs der Lauffläche wurde ein Ski mit Thermoelementen
ausgestattet.
Biomechanik
Novel PedarX Fussdruckmesssystem
Das System erlaubt
die Messung der plantaren Druckverteilung anhand von Einlegesohlen mit kapazitiven
Drucksensoren. Beispielsweise kann damit Seitigkeit im Bewegungsablauf z.B.
beim Fussabdruck im Langlauf, detektiert werden.
Vosskühler HCC - 100 High Speed Camera
Die
vorhanden HS-Kameras ermöglichen Videoaufnahmen von bis 1850 Bildern pro Sekunde und
eigenen sich neben dem Einsatz für kinematische Analysen sportlicher Bewegungen
auch für Anwendungen ausserhalb der Sportbiomechanik.
GNSS Javad Alpha-G3T
Das GNSS Javad Alpha-G3T ist ein kompaktes
und zugleich empfangsstarkes GNS-System (GPS & GLONASS), welches sich in
Verbindung mit einer kontinuierlichen Referenzmessung für kinematische Messaufgaben hoher Präzision und Dynamik eignet wie
z.B. im alpinen Rennsport.
Technische Schneeproduktion
Wassermessstrecke
Aufzeichnung
von am Eingang des Schneeproduzenten anliegenden Wasserdruck, Wasserdurchfluss
und Wassertemperatur.
Beschneiungstool
Handheld
Tool (Prototyp; siehe Abb.) zur Messung von Wasser- und Lufttemperatur sowie der Luftfeuchte.
Berechnung der Feuchtkugeltemperatur und Prognose der in Abhängigkeit der
Umgebungsbedingungen und Schneilanzeneinstellungen zu erwartenden
Schneefeuchte.
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D) SOFTWARE
Berechnung
der Kantendruckverteilung, Skidurchbiegung, Schneeverformung und gefahrenem
Radius in Abhängigkeit der eingebrachten Kräfte und Momente, des Aufkantwinkels
sowie der Skigeometrie und -steifigkeit.
ANSYS - kommerzielle FEM
Software
Simulation
des Einflusses von Skibindungen auf die Steifigkeit des Gesamtsystems
Ski-Bindung- Bindungsplatte.
SNOWPACK - Schneedeckensimulation
Numerisches
1D-Schneedeckenmodell, wird in den Bereichen Snow Farming und Pistenprognosen
angewandt.
Numerisches
Quasi-2D-Modell, welches das Abkühlen,
Gefrieren und den Transport von fein zerstäubten Wassertröpfchen
simuliert. Die
Modellierung dieses Prozesses erfordert eine Verknüpfung der
Energieflüsse des Einzeltropfens
mit denen der Umgebungsluft und zielt auf die Abbildung eines in der
Schneewolke
herrschenden Mikroklimas (Luft, Wassertropfen, Eiskügelchen). Das Modell
verbindet
daher ein Atmosphärenmodell, welches den turbulenten Austausch von
Partikelkonzentration, Windgeschwindigkeit (Partikelgeschwindigkeit),
Temperatur und Luftfeuchtigkeit beschreibt mit einem Tropfenmodell,
welches die
Abkühlung und das Gefrieren eines einzelnen Tropfens berechnet.
Nebenstehende Abbildung gibt einen Überblick der Modellparameter.
Dartfish & WinAnalyse
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wie beispielsweise zur Optimierung der Startbewegung beim Skicross.
