Themen
A) Pistenschnee
Technischer Schnee
Pistenpräparation
Snow Farming
B) Ski-Schnee-Interaktion
Gleiten
Carven
C) Biomechanik des Schneesports
D) Evaluierung von Schneesportgeräten
A) PISTENSCHNEE
Technischer Schnee
Technischer Schnee, umgangssprachlich Kunstschnee, hat während der letzen 20 Jahre enorm an Bedeutung gewonnen. Die im Wettbewerb stehenden Skigebietbetreiber sichern damit ihren Geschäftsbetrieb gegen Unsicherheiten des Wetters ab und erhöhen somit sowohl die Schneesichersicht als auch die Pistenqualität. Dadurch können Sie ihre Anlagen bereits im Frühwinter besser auslasten und der vorhandenen Nachfrage der Skitouristen gerecht werden. Des Weiteren wird die technische Beschneiung von den Skigebieten als die wichtigste Anpassungsstrategie auf die Klimaerwärmung betrachtet.
Abb. 1: Feldtests mit Schneilanzen im Flüelatal, Davos.
In enger Zusammenarbeit mit der Industrie
und universitären Partnern wurden in verschiedenen Projekten insbesondere die
technisch-physikalischen Aspekte der Schneeproduktion untersucht. Zur Quantifizierung
des Einflusses von internen (z.B. Wasserdruck, Druckluftmenge etc.) und
externen Parametern (z.B. Luftfeuchtigkeit, Wassertemperatur etc.) auf die
Schneeproduktion, konnten verschiedene wissenschaftliche Methoden sowie
numerische Modelle entwickelt werden. Aktuelle Fragestellungen sind etwa die Grösse der Massenverluste
beim Beschneien durch Verdunstung und Sublimation, die Machbarkeit energieeffizienter
Schneisystemen oder die Wirksamkeit von Schneizusätzen.
Abb. 2: Modelloutput Schneiwolkenmodell - die Abbildungen zeigen den Unterschied in der Massenverteilung in einer Schneiwolke bei unterschiedlichem Zerstäubungsdruck und Düsen. Die Wassermenge ist in beiden Fällen gleich gross.
Über die technisch-physikalischen Aspekte hinaus wird die
technische Beschneiung auch im sozioökonomischen und ökologischen Kontext
betrachtet. Umweltverträglichkeit und Auswirkungen auf den Tourismus und damit
verknüpfte regionalwirtschaftliche Branchen wurden von WSL-Forschern aus den
Bereichen Gebirgsökosysteme sowie Wirtschafts- und Sozialsysteme durchgeführt.
Pistenpräparation
Skipisten sind im Breiten- und Rennsport eine
wesentliche, wenn nicht entscheidende Grundlage für den Wintersport. Die
Erstellung und Pflege erfordert einen grossen Einsatz an technischen Mitteln
und ist mit einem hohen finanziellen Aufwand verbunden. Unsere
Ziele liegen in der Definition der Anforderungen an die Skipisten, sowie in der
Optimierung und Weiterentwicklung der Präparations- und Pflegemethoden.
Abb. 3.: Vergleich einer harten (li) und weichen (mitte) Piste mit den zugehörigen Kurvenverläufe einer Härtemessung (re).
Um die aktuellen Techniken und Methoden der
Pistenpräparation zu optimieren, untersuchen wir die folgenden Themen:
- Die
physikalischen Eigenschaften des Schnees wie Metamorphose, Kohäsion und
Sinterung, die bei der Pistenpräparation eine Hauptrolle spielen.
- Der
Einfluss der meteorologischen Verhältnisse auf die Schneeoberfläche.
- Die
Methoden zur Verhärtung des Schnees.
In enger Zusammenarbeit mit der Industrie, Skigebieten und
mit der Forschungsgruppe Schneephysik werden viele Feld- und Labormessungen
durchgeführt.
Eine unserer Aufgaben ist auch die Entwicklung von Messegeräten,
mit deren Hilfe die Eigenschaften von Skipisten wie Dichte, Härte, Wassergehalt
u.a. einfach bestimmt werden können.
Für die Analyse von Qualitätsveränderungen der Skipiste und
der Optimierung bei Präparation und Pflege arbeiten wir eng mit der
Forschungsgruppe Schneedecke und Mikrometeorologie zusammen. Ein Beispiel mit
praktischem Nutzen ist die Möglichkeit, die Schneetemperatur an der Oberfläche
einer Skipiste 24 Stunden vorher zu prognostizieren, was für den Pistendienst
sehr hilfreich ist, um den Zeitpunkt der Pistenpräparation optimal zu bestimmen.
Wissenstransfer in die Praxis
Das Handbuch "Pistenpräparation und Pistenpflege -
Handbuch für den Praktiker" liefert Informationen zu Schnee und Wetter,
die für den Pistendienst wichtig sind. Es sind darin aber auch viele praktische
Tipps zu finden, um die Präparation und Pflege der Skipisten mit den aktuellen
Geräten und Maschinen ökonomisch und ökologisch zu optimieren. Das Handbuch ist
in Deutsch, Französisch und Englisch erhältlich.
Snow Farming
Snow Farming ist ein Überbegriff für
Schneemanagement und beinhaltet allgemein den Umgang mit Schnee. Dazu gehören
Transport, Lagerung, Verarbeitung, Konservierung, Präparation und Pflege von
Schneeanlagen, Schneedepots, usw.
Die Konservierung von Schnee über das Sommerhalbjahr wird immer häufiger von verschieden Wintersportdestinationen durchgeführt (z.B. Östersund, Ruhpolding, Davos, Sotschi), oft vor dem Hintergrund sportlicher Grossveranstaltung im Frühwinter. Der zu konservierende Schnee wird dabei meist technisch produziert, idealerweise während einer Kälteperiode im Hochwinter. Ein grosser Vorteil ist der nicht vorhandene Termindruck bei der Depotbeschneiung, welche in der Regel erst bei optimalen Wetterbedingungen durchgeführt wird. Schneevolumen von mehreren 1000 m3 können dann deutlich energieeffizienter produziert werden als im Grenztemperaturbereich von -2 bis -5°C. Demgegenüber steht der Aufwand und die Kosten für Abdeckung und der Verteilung des Schnees im Herbst.
Abb. 4: li: Unterschiedlich abgedeckter Schneehaufen beim Feldversuch. re: Modellierung des Abschmelzens mit SNOWPACK.
Entscheidend für das Ausmass des Schneeverlusts während
der Lagerung sind die mikroklimatischen Bedingungen des Lagerungsortes
in Kombination mit der eingesetzten Abdeckungsmethode. Zudem spielt das
Verhältnis von Schneeoberfläche zu Schneevolumen eine gewisse Rolle,
welches mit zunehmender Haufengrösse abnimmt.
Anhand
von Feld- und Laborversuchen und numerischen Simulationen des
Abschmelzvorgangs konnten erste Erkenntnisse über Abdeckungsmethoden und
den Einfluss der Wetterbedingungen gewonnen werden.
B) SKI-SCHNEE-INTERAKTION
Die Frage, ob sich ein Ski gut oder schlecht fährt und das
Wissen welche Parameter der Skikonstruktion dafür verantwortlich sind, kann
niemals pauschal beantwortet werden sondern muss immer situativ-individuell
betrachtet werden. Entscheidend ist, dass die physikalischen Eigenschaften des
Ski-Bindung Systems zum einen auf Können, Konstitution und Vorlieben des
Fahrers abgestimmt sind und zum anderen den sehr variablen Schneeeigenschaften
gerecht werden.
Das Zusammenspiel an der Schnittstelle Ski-Schnee (Ski-Schnee-Interaktion)
war und ist Gegenstand verschiedener Forschungsprojekte der Gruppe Schneesport
und Industrieprojekte am SLF. Die in Zusammenarbeit mit der Industrie durchgeführte und von der KTI (Kommission für Technik und
Innovation) geförderte Projektarbeit versucht dabei anhand von Messungen und
Simulationen die Prozesse beim Gleiten und Carven besser zu verstehen, um
daraus Optimierungen des Materials abzuleiten. Konkret geht es beispielsweise
um die Beantwortung folgender Fragen:
- Wie
wirken sich verschiedene Schneeeigenschaften (z.B. Temperatur, Dichte Korngröße)
auf die Gleitfähigkeit eines Skis aus?
- Wie
wirken sich Skieigenschaften und Unterschiede der Präparation auf das Gleitergebnis
aus (z.B. Skisteifigkeit, Wärmeleitfähigkeit der Skikonstruktion Belagspolymer,
Belagstruktur, Wachsart und -methode)?
- Inwiefern
können empirische Zusammenhänge des Ski-Schnee-Gleitens durch mikroskopische
Prozessparameter Wasserfilmdicke und Kontaktfläche erklärt werden?
- Wie
wirken sich beim Carven Schneehärte, Skikonstruktion (Steifigkeit und
Geometrie), Körpergewicht und Aufkantwinkel auf die Druckverteilung entlang der
Kante, den gefahren Kurvenradius sowie die Skiverformung aus?
Grundvoraussetzung für die Untersuchung des Zusammenspiels
der beiden Komponenten Ski-Bindungs-System und Schnee ist die exakte
Beschreibung der mechanischen, chemischen, morphologischen und thermischen
Eigenschaften der Einzelkomponenten. Zu diesem Zweck sind verschiedene
Prüfstände und Messgeräte zur Skivermessung und Schneecharakterisierung entwickelt,
bzw. aus der Schnee- und Lawinenforschung, adaptiert worden.
Gleiten
Anhand einer Vielzahl von Gleittests bei genau erfassten
Schnee- und Wetterbedingungen konnten in einem ersten Schritt empirische
Zusammenhänge gefunden werden. So zeigte sich ein Optimum der
Gleiteigenschaften bei einer Schneetemperatur von ca. -3°C.
Im weiteren wurden zur Untersuchung des Gleitens ein Eis-
und Schneetribometer entwickelt anhand dessen Reibungskräfte - beispielsweise
von verschiedenen Kunststoffen - unter einstellbaren Laborbedingungen (z.B.
Schneetemperatur, Gleitgeschwindigkeit) gemessen werden können.
Experimentelle
Untersuchungen zur Kontaktfläche zwischen Polyethylen und Schnee wurden mit
Hilfe von hochauflösenden CT-Aufnahmen im SLF-Kältelabor realisiert. Es zeigte
sich dabei, dass der Kontakt zwischen Ski und Schnee beim Gleiten nur an
wenigen mikroskopisch kleinen Punkten auftritt (ca. 6% der Gesamtfläche). Diese
so genannte wahre Kontaktfläche hängt allerdings stark von Schneehärte,
-temperatur und dem Anpressdruck ab und vergrößert sich beim Gleiten aufgrund des
fortlaufenden Abschmelzens der Kontaktpunkte an der Schneeoberfläche. Die
Gleiteigenschaften verändern sich daher vom vorderen zum hinteren Teil der
Lauffläche, insbesondere aufgrund der Zunahme der wichtigsten Prozessparameter
Wasserfilmdicke und Kontaktfläche.
Abb. 5: Wahre Kontaktfläche (li) zwischen einer flachen PE-Platte und verdichtetem Schnee (re) ermittelt anhand von Mikro-CT-Scans (Ausschnitt: 5 x 5 x 0.9 mm). Der Druck beträgt 40 kPa , die wahre Kontaktfläche beträgt nur 6.4% der Plattenfläche.
Aufbauend auf den experimentellen Erkenntnissen wurde zur
Untersuchung des zwischen Skibelag und Schneeoberfläche entstehenden
Wasserfilms ein Computermodell entwickelt, welches die wichtigsten
physikalischen Prozesse der Ski-Schnee-Interaktion beim Gleiten numerisch
beschreibt (trockene Reibung, Wärmeleitung, Phasenwechsel Eis - Wasser,
Abscherung und Auspressung des Wasserfilms). Energiedissipation durch kapillare
Anziehungskräfte und makroskopische Schneeverformung (Plowing Effekt) werden im
Modell nicht berücksichtigt.
Abb. 5: Wichtige Prozesse beim Gleiten auf Schnee.
Carven
Während die Prozesse des Gleitens insbesondere auf
mikroskopischer Ebene stattfinden ist die Ski-Schnee-Interaktion beim Fahren
geschnittener Schwünge (Carven) vor allem durch die makroskopischen
Eigenschaften des Ski-Bindungs-Systems und des Schnees bestimmt. Der gefahrene
Radius beim Carven ergibt sich aus der Seitengeometrie des Skis, dem
Aufkantwinkel und aus der Durchbiegung des Skis, die sich wiederum aus den (vom
Skifahrer) eingeleiteten Kräften und Momenten und dem
Kraft-Verformungs-Verhalten der Skipiste ergibt.
Mit der Zielsetzung die (quasistatische) Wechselwirkung von
Ski und Skipiste beim Carven am Computer zu simulieren wurden zunächst die vom
Skifahrer eingeleiteten Kräfte und Momente (Randbedingung 1) sowie das
Kraft-Verformungsverhalten von unterschiedlichen Skipisten in Abhängigkeit des
Aufkantwinkels (Randbedingung 2) messtechnisch erfasst. Zusammen mit einer genauen Abbildung der
Geometrie und des inneren Aufbaus des Skis am Computer konnte dann eine
Finite-Element-Simulation programmiert werden. Anhand des Computermodells wurde
gezeigt, dass die Pistenhärte sich auf den Kurvenradius auswirkt. Bei geringen
Aufkantwinkel (< 40°) ergibt sich auf einer weichen Piste eine engerer Kurve
als auf einer harten Piste - bei großen Aufkantwinkel (> 50°) verhält es
sich umgekehrt.
Abb. 6: FE-Simulation
der Ski-Schnee Interaktion beim Carven (li). Laborprüfstand zur Messung der Kantendruckverteilung
im aufgekanteten Zustand (re).
In Analogie zur Modellierung am Computer wurde im Weiteren
ein Laborprüfstand entwickelt, der es ermöglicht die Kantendruckverteilung
eines Skis bei verschiedenen Aufkantwinkeln und Pistenhärten zu messen. Der Ski
wird dabei auf 15 linear bewegliche Kontaktzylinder entlang der Kante
aufgedrückt. Die Kraft an den Kontakten wird gemessen; gemäß dem eingestellten
Kraft-Verformungsverhalten der Skipiste und des gewählten Aufkantwinkels geben
die einzelnen Kontaktpunkte nach bis sich eine konstante Durchbiegung des Skis
einstellt, die der Durchbiegung während eines Carvingschwungs entspricht. Mithilfe
des Prüfstands können somit Einflüsse von Konstruktionsparametern des Skis auf
die Kantendruckverteilung beim Carven untersucht werden.
Um die gemessene Ski-Durchbiegung am Prüfstand und im Modell
anhand der Realsituation auf der Piste zu validieren, wurde zudem ein Ski mit
optischen Glasfasersensoren (Faser-Bragg-Gitter) ausgestattet, die die Messung
der Biege- und Torsionsverformung ermöglichen. Der Einsatz moderner
Glasfasersensorik ermöglicht den Einbau vieler Sensoren bei minimaler
Verkabelung und mechanischer Rückwirkung auf die Skieigenschaften. Umfassende
Untersuchungen bei verschiedenen Pisteneigenschaften stehen noch aus.
Abb. 7: Messki, ausgestattet mit optischen Glasfasersensoren (FBG) zur Ermittlung der Skiverformung.
C) BIOMECHANIK DES SCHNEESPORTS
Der Athlet komplettiert die Ski-Schnee-Interaktion zum Gesamtsystem Schnee-Gleitsportgerät-Athlet. Die Erfassung, Analyse und Optimierung sportlicher Bewegungen war Inhalt verschiedener Forschungsprojekte, die in enger Zusammenarbeit mit Swiss Ski, Swiss Olympic und universitären Partnern aus dem Bereich der Sportwissenschaft durchgeführt wurden.
Neben der Optimierung der Bewegungstechnik gilt der Fokus auch der
Verletzungsproblematik im Skisport. Dabei wird die Frage nach dem
Zusammenhang von Kinematik des Athleten, Umgebungsvariablen wie
Geländetopographie und mechanischen Schnee- und Skieigenschaften gestellt.
Abb. 8: Analyse der plantaren Fussdruckverteilung beim Durchfahren eines Riesenslalomkurses.
D) EVALUIERUNG VON SCHNEESPORTGERÄTEN
Bei der Evaluierung von Schneesportgeräten sollten sowohl objektive als auch subjektive Bewertungsmethoden eingesetzt werden. Zudem sollten die individuellen Eigenschaften des Sportlers sowie die zeitlich und räumlich wechselnden Schneebedingungen miteinbezogen werden.
Das SLF-Skilabor ermöglicht eine umfassende Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Ski oder Snowboards. Die Entwicklung verschiedener, der Charakteristik des Schneesportgeräts angepassten, Testdesigns zur subjektiven Beurteilung der Fahreigenschaften werden in Zusammenarbeit mit Sportwissenschaftler vorangetrieben.
Des Weiteren werden Zusammnehänge zwischen dem subjektiven Fahrempfinden und denen im Labor messbaren physikalischen Skieigenschaften untersucht.
Abb. 9: Prüfstand zur Messung der Biegesteifigkeit von Skiern oder Snowboards
