Beim Schifahren bildet sich ein Wasserfilm zwischen Schi und Schnee, welcher den Reibungswiderstand des Gleitvorgangs verringert. Die weit verbreitete Meinung, dass sich dieser auf Grund des ausgeübten Druckes auf den Schnee bildet, ist falsch. Dieser Schmelzwasserfilm entsteht aufgrund der Reibungswärme, welche während des Gleitvorganges produziert wird. Der niedrige Reibungskoeffizient ergibt sich nicht nur aus der Schmelzwasserschmierung alleine, sondern setzt sich aus weiteren Komponenten wie der Trockenreibung, der Verdichtung und dem frontalen Auftreffwiderstand, der kapillaren Anziehungskraft, sowie elektrostatischer Aufladung und Verschmutzung zusammen.
Die einzelnen Komponenten hängen von einer Vielzahl von verschiedenen Faktoren ab, die grob in zwei Gruppen gegliedert werden können. Die wichtigsten Einflussfaktoren des Schnees auf die Gleitreibung sind die Korngröße, die Schneetemperatur, der Feuchtegehalt, die Schneehärte sowie die Verunreinigung. Die bedeutendsten Einflussfaktoren des Gleitkörpers auf die Gleitreibung sind die Kontaktfläche, die Geschwindigkeit, die Belagsstruktur, das Material, die Last sowie die thermische und elektrische Leitfähigkeit.
Mithilfe eines Tribometers kann man den Reibungskoeffizienten mit einer Toleranz von ±5% bestimmen. Der zu messende Probekörper wird mit einer wählbaren Kraft auf die rotierende Eisfläche gepresst, dabei wird der Reibungswiderstand mit einer Kraftmesszelle gemessen. Diese Messungen finden in einer Kältekammer statt. Die variablen Parameter sind somit die Eistemperatur, die Geschwindigkeit, die Last auf dem Gleitkörper und die Temperatur der Kältekammer. Dabei kommen Probekörper mit verschiedenen Strukturen zum Einsatz. Longitudinal ausgerichtete feine Vertiefungen auf der Belagsfläche erweisen sich dabei vorteilhaft.
Die Aufbringung solcher Strukturen erfolgt heute maschinell über den so genannten Steinschliff. Bei diesem Verfahren wird mit einem Diamanten eine definierte Struktur auf einen Schleifstein aufgebracht. Abhängig von den eingestellten Maschinenparametern, wie Umfanggeschwindigkeit des Schleifsteins, Abziehgeschwindigkeit des Diamanten, Anpressdruck und Vorschubgeschwindigkeit der Maschine werden verschiedene Strukturen auf die Belagsfläche aufgebracht. Dabei setzt sich die Art der Struktur aus Erfahrungswerten und Trial and Error Tests zusammen.
Inhaltsverzeichnis
1. Problem- und Aufgabenstellung
2. Einleitung
3. Grundlagen
3.1. Einflussgrößen der Gleitreibung
3.1.1. Verdichtung und frontaler Auftreffwiderstand
3.1.2. Trockenreibung
3.1.3. Schmelzwasserschmierung
3.1.4. Kapillareffekt
3.1.5. Verschmutzung und elektrostatische Aufladung
3.1.6. Kombination der Mechanismen
4. Methoden
4.1. Erfassen des Reibungskoeffizienten
4.2. Strukturschliff
4.2.1. Unterscheidung der Schneebedingungen
4.2.2. Bandschliff
4.2.3. Steinschliff
5. Diskussion
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die physikalischen Grundlagen des Gleitvorgangs von Wintersportgeräten auf Schnee, mit besonderem Fokus auf die Optimierung der Laufflächenstruktur durch den sogenannten Strukturschliff.
- Physikalische Mechanismen der Gleitreibung auf Schnee
- Einfluss der Schmelzwasserschmierung und Reibungswärme
- Einflussfaktoren der Schnee- und Gleitkörpereigenschaften
- Verfahren zur Messung des Reibungskoeffizienten mittels Tribometrie
- Methoden der Laufflächenbearbeitung (Bandschliff vs. Steinschliff)
Auszug aus dem Buch
3.1.3. Schmelzwasserschmierung
Die heute vorrangige Begründung für den geringen Reibungskoeffizienten von Schnee ist die Schmierung des Gleitkörpers durch einen Wasserfilm. Bowden setzt 1953 den besonders großen Reibungswiderstand auf Schnee bei tiefen Temperaturen mit dem Gleitvorgang auf Sand gleich. Dieser Widerstand resultiert aus der zu geringen Wärmeproduktion, wodurch kein Schmelzwasserfilm zur Schmierung entsteht.
Glenne (1987, S.616) berücksichtigt 4 verschiedene Quellen, woraus das Wasser beim Gleitvorgang generiert werden kann:
o Freier Wassergehalt im Schnee
o Erhöhte Schneefeuchte hervorgerufen durch Schneekomprimierung
o Schmelzwassergenerierung bedingt durch Reibungswärme
o Schmelzwassergenerierung aus lokal höheren Drücken
Mit einem dünnen Schmelzwasserfilm zwischen 2 Oberflächen beschreibt Glenne (1987, S.616) den laminaren Widerstand mit:
Flub = (eta * v * Acw) / d (13)
Dabei ist eta die Viskosität in Pa*s bzw. N*s/m^2 und d die Dicke des Wasserfilms. Acw ist die nasse Kontaktfläche in m^2. Glenne fügt hinzu, das die Formel eher bei trockeneren Schneebedingungen relevant ist.
Der gesamte Widerstand des Gleitvorganges setzt sich damit aus einer Kombination der Gleichungen (4), (5), (8), und (13) zusammen (Glenne, 1987, S.617):
Ft = (tau/sigma + delta_y/l) * FN + ps * b * delta_y * v^2 + (eta * v * Acw) / d (14)
Zusammenfassung der Kapitel
1. Problem- und Aufgabenstellung: Hinführung zum Thema und Begründung der Untersuchung der komplexen Wechselwirkungen zwischen Gleitfläche und Schnee.
2. Einleitung: Historischer Überblick über die wissenschaftliche Forschung zur Reibung auf Schnee und Eis sowie Darstellung zentraler theoretischer Ansätze.
3. Grundlagen: Detaillierte physikalische Betrachtung der Einflussgrößen auf die Gleitreibung, inklusive Schmelzwasser, Trockenreibung und thermodynamischer Prozesse.
4. Methoden: Erläuterung der experimentellen Messverfahren zur Bestimmung des Reibungskoeffizienten und der technologischen Prozesse bei der Strukturaufbringung auf Beläge.
5. Diskussion: Kritische Würdigung der Labormessungen und der Anwendbarkeit theoretischer Modelle auf reale Bedingungen.
Schlüsselwörter
Gleitreibung, Schnee, Schmelzwasserfilm, Tribometer, Reibungskoeffizient, Strukturschliff, Steinschliff, Bandschliff, Laufflächenstruktur, Thermodynamik, Grenzschmierung, Wintersportgerät, Schneebedingungen, Reibungswärme, Kontaktfläche.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundlegend?
Die Arbeit befasst sich mit der physikalischen Optimierung des Gleitvorgangs von Schiern auf Schnee durch eine definierte Strukturierung der Lauffläche.
Welches sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder umfassen die Tribologie auf Schnee, die Thermodynamik des Reibungsvorgangs sowie die maschinelle Fertigungstechnik zur Belagsstrukturierung.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, den noch nicht vollständig erforschten Gleitvorgang durch die Analyse der Strukturbeschaffenheit der Lauffläche besser verständlich und optimierbar zu machen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden mathematische Modelle zur Beschreibung der Reibung genutzt sowie experimentelle Messdaten aus Tribometer-Versuchen zur Validierung und Analyse herangezogen.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil analysiert die Mechanismen der Gleitreibung (Trocken- und Schmelzwasserschmierung), die Einflussparameter des Schnees und Schis sowie die praktischen Methoden der Strukturaufbringung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Begriffe sind Gleitreibung, Schmelzwasserfilm, Strukturschliff, Tribometer und Reibungskoeffizient.
Warum ist das Verständnis des Wasserfilms wichtig?
Der Wasserfilm ist die primäre Ursache für den niedrigen Reibungswiderstand beim Schifahren; seine Dicke und Bildung entscheiden maßgeblich über die Gleiteigenschaften bei unterschiedlichen Temperaturen.
Welche Rolle spielt der Steinschliff?
Der Steinschliff ermöglicht die reproduzierbare Aufbringung definierter Oberflächenstrukturen auf den Schibelag, um das Gleitverhalten spezifisch an unterschiedliche Schneebedingungen anzupassen.
- Arbeit zitieren
- Stefan Leitner (Autor:in), 2008, Optimierung des Gleitvorgangs auf Schnee durch definierte Laufflächenstruktur bei Wintersportgeräten, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/181650
