Kurvenprojekt: "Gecarvte" Schwünge im Schnee

Einführung und Zielsetzungen

Abb. 1 - "Gecarvter" Schwung

Durch die Einführung der Carvingtechnik hat der Skisport während des letzten Jahrzehnts einen deutlichen Aufschwung erfahren. Dadurch haben sich auch die Anforderungen an die Skiausrüstung stark verändert. In diesem Projekt wurden verschiedene Aspekte gecarvter Schwünge untersucht, um Kriterien für eine Weiterentwicklung und eine bessere Anpassung von Ski-Bindungs-Systemen an gegebene äussere Bedingungen zu bestimmen. Im einzelnen wurden folgende Themen untersucht:

• Mechanische Eigenschaften von Ski-Bindungs-Systemen
  
• Biomechanische Analyse gecarvter Schwünge
  
• Charakterisierung der Ski-Schnee Interaktion
  
• Simulation eines Ski-Bindungs-Systems im gecarvten Schwung
  
• Entwicklung eines Prototyps für ein neues Ski-Bindungs-Systems

Methoden und einzelne Ergebnisse dieser Themen sind in den folgenden Kapiteln zusammengefasst.

Mechanische Eigenschaften von Ski-Bindungs-Systemen

Die mechanischen Eigenschaften verschiedener Ski-Bindungs-Systeme wurden in Laborexperimenten bestimmt. Das Fahrverhalten eines Systems wird im Wesentlichen von seiner Geometrie, seiner Biegesteifigkeit, seiner Torsionssteifigkeit, dem Schwingungs- Dämpfungsverhalten und der Art der Kraftübertragung zwischen Skischuh und der Lauffläche des Skis bestimmt. Letzteres kann durch die Messung der Flächendruckverteilung unter einem flach aufliegenden, belasteten Ski charakterisiert werden.

Referenz

• Müller, Beat. (2003). „Experimentelle Erfassung des Einflusses von unterschiedlichen Platten und Bindungen auf die Flächendruckverteilung eines Skis“. Diplomarbeit am Laboratorium für Biomechanik, Swiss Federal Institute of Technology Zurich. Ref. Dr. J. Denoth (ETHZ), Dr A. Stacoff (ETHZ), Dr. A. Lüthi (SLF).

Biomechanische Analyse gecarvter Schwünge

Ziel der biomechanischen Bewegungsanalyse war vor allem eine Bestimmung der Belastungssituation der Skiausrüstung während einem gecarvten Schwung. Dazu wurden die Bewegung des Körperschwerpunkts des Skifahrers, die Anpresskräfte vom Fahrer auf die Skibindung und die Aufkantwinkel der beiden Ski im Schwungverlauf mit Videoanalyse, Kistler Druckmessplatten, und Drucksohlen untersucht. Die folgenden drei Bilder zeigen Resultate für einen Beispielschwung:

Abb. 2 - Videoanalyse der Körperbewegungen während eines gecarvten Schwungs, Verlauf der Anpresskraft vom Fahrer auf die Bindung (summiert für beide Ski) für zwei Schwünge, Verlauf des Aufkantwinkels für die selben zwei Schwünge

Referenzen

• Federolf, P., Lüthi, A., Fauve, M., Rhyner, H.U., Ammann, W., Dual, J. (2004). Determination of Turning Parameters in Carved Skiing and Application to a Numerical Ski-Binding Model. Proceedings of the 22nd International Symposium of Biomechanics in Sports. 301-304.
  
• Lüthi, A., Federolf, P., Fauve, M., Oberhofer, K., Rhyner, H.U., Ammann, W., Stricker, G., Schiefermüller, C., Eitzlmair, E., Schwameder, H., Müller, E. (2004). Determination of Forces in Carving using three independent methods. Proceedings of the 3rd International Congress on Science and Skiing.
  
• Lüthi, A., Federolf, P., Fauve, M., Rhyner, H.U. (2003). Experimentelle Methoden zur Bestimmung von Kräften im Schneesport. Trainerherbsttagung Swiss Olympic 2003. Magglingen, Schweiz.

Charakterisierung der Schneeeigenschaften in der Interaktion mit einem Ski

Der tatsächlich gefahrene Schwungradius in gecarvten Schwüngen hängt nicht nur von den mechanischen Skieigenschaften ab, sondern auch vom Schneewiderstand, der den Anpresskräften vom Ski entgegenwirkt. Der Schneewiderstand gegen eine aufgekantete, in den Schnee eindringende steife Platte wurde mit zwei neuentwickelten Messgeräten, "Agenvis" und "FastSnowdeformer", bestimmt. Dabei zeigte sich, dass der Widerstandsdruck vor allem von der Eindringtiefe in den Schnee und vom Aufkantwinkel abhängig, jedoch weitgehend unabhängig von der Deformationsgeschwindigkeit (im für das Skifahren typischen Geschwindigkeitsbereich) ist. Schnee ist ein ausserordentlich variables Material weswegen die Messwerte grossen Schwankungen unterliegen. Die Ergebnisse dieser Schneeuntersuchung wurden in einer empirischen Gleichung für den Schneewiderstandsdruck zusammengefasst.

Abb. 3 - Messgeräte "Agenvis" und "FastSnowdeformer" (oben) für die Charakterisierung von Pistenschnee. Abhängigkeit des Schneedrucks (p) auf einen Ski von seiner Eindringtiefe (D) in den Schnee. Da der Schnee dabei plastisch verformt wird, unterscheiden sich die Kurven für eine Belastung und eine Entlastung des Schnees.

Referenzen

• Federolf, P., Fauve, M., Szabó, D., Lüthi, A., Rhyner, H.U., Schneebeli, M., Ammann, W. Dual, J. (2004). Mechanical Propeties of Snow During Rapid Impact. Snow Engineering V, 209-214.
  
• Federolf, P. (2004): „Finite Element Simulation of a Carving Snow Ski“. Dissertation. Swiss Federal Institute of Technology Zurich. Ref. Prof. Dr. J. Dual (ETHZ), Koref. Dr.
  
• A. Lüthi (SLF), Dr. W. Ammann (SLF).
  
• JeanRichard Florian (2003). Characterization of the Snow Properties under High Deformation Rates. Diploma thesis at the Institut des Matériaux, Swiss Federal Institute of Technology Lausanne. Ref. Prof. Dr. J.-A. Manson (EPFL), Dr. V. Michaud (EPFL), P. Federolf (SLF).

Simulation eines Ski-Bindungs-Systems im gecarvten Schwung

Um den Einfluss verschiedener Kurvenparameter auf den Schwungradius und die Druckverteilung unter einem Ski bestimmen zu können, wurde ein Ski mit Bindung mit der Methode der Finiten Elemente (FEM) simuliert. Die Belastungssituation des Skis, welche durch die biomechanischen Bewegungsanalyse bestimmt werden konnte, und die empirische Gleichung für den Schneewiderstandsdruck wurde als Randbedingung in der Simulation berücksichtigt. Die Ergebnisse des in diesem Projekt erstellten Simulationsprogramms konnten mit gemessenen Kurvenradien verifiziert werden.

Abb. 4 - Berechnete Form eines Skis der mit 50° aufgekantet und mit 1000N belastet wurde. Vergleich der berechneten Kurvenradien (Quadrate) und dem gemessenen Kurvenradius (durchgezogene Linie) an verschiedenen Stellen im Schwungverlauf.

Referenzen

• Federolf, P., Lüthi, A., Rhyner, H.U., Dual, J. (2004). Finite Element Simulation of Carving Skis and Their Interaction with Snow. Proceedings of the First International Working Conference IT and Sport & 5th Conference dvs-Section Computer Science in Sport. (in press).
  
• Federolf, P., Lüthi, A., Fauve, M., Rhyner, H.U., Ammann, W., Dual, J. (2004). Determination of Turning Parameters in Carved Skiing and Application to a Numerical Ski-Binding Model. Proceedings of the 22nd International Symposium of Biomechanics in Sports. 301-304.
  
• Federolf, P., Fauve, M., Lüthi, A., Rhyner, H.U., Ammann, W., Dual, J., (2004). Finite Element Simulation of a Carving Alpine Ski. 3rd International Congress on Science and Skiing, (abstract book), 11-12.
  
• Federolf, P. (2004): Finite Element Simulation of a Carving Snow Ski. Swiss Federal Institute of Technology Zurich. Ref. Prof. Dr. J. Dual (ETHZ), Koref. Dr. A. Lüthi (SLF), Dr. W. Ammann (SLF). (in review).
  
• Züger Reto. (2004). Untersuchung von Ski- und Bindungseigenschaften mit FE-Methoden. Centre of Computational Physics, Züricher Hochschule Winterthur. Ref. Prof. Dr. M. Roos (ZHW), Dr. A. Lüthi (SLF), H.U. Rhyner (SLF).

Entwicklung eines Prototyps für ein neues Ski-Bindungs-Systems

Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse und entwickelten Methoden flossen in die Entwicklung eines Prototypen einer Bindungsplatte ein, welcher erlaubt, einen vorgegebenen Ski an Fahrergewicht und Schneeverhältnisse anzupassen.

Referenz

• Lüthi, A., Federolf, P., Fauve, Szabo, D., M., Rhyner, H.U. (2004). Schlussbericht "Erarbeiten einer wissenschaftlichen Simulationsmethode des Systems Ski/Bindung beim Kurvenfahren unter Berücksichtigung der Schneemechanik - Umsetzung in der Entwicklung eines integralen Systems Ski – Bindung". KTI Projekt Nr. 5275.2

Kontakt

• Hansueli Rhyner
  

• Hansueli Rhyner