Entwicklung e. evidenzbasierten Ski-Schnee-Reibungsmodells

Das Gleiten von Skiern auf Schnee hat eine jahrtausendealte Geschichte. Seit jeher wird dadurch der Transport von Gütern stark erleichtert und eine größere Mobilität ermöglicht. Grundlage dafür ist die bemerkenswert geringe Reibung an der Grenzfläche zwischen Ski und Schnee. Die Reibung ist allerdings stark von der Temperatur und der Geschwindigkeit abhängig. Viele Theorien über die Reibung zwischen Ski und Schnee basieren auf der Annahme, dass flüssiges Wasser als Schmiermittel zwischen Ski und Schnee wirkt. Der Reibungskoeffizient wird daher oft in Abhängigkeit von der Dicke der Wasserschicht angegeben: keine oder eine nur dünne Wasserschicht ergibt eine hohe Reibung; mit zunehmender Wasserschicht sinkt die Reibung auf ein Minimum; mit weiterer Zunahme der Wasserschichtdicke steigt die Reibung wieder an. Diese Ski-Schnee-Reibungskurve wurde jedoch nie experimentell überprüft, was weitgehend auf das Fehlen von Geräten zurückzuführen ist, die in der Lage sind, die vermutete Wasserschicht zu erkennen. Im Gegenteil konnten im Laufe der Jahre mehrere Studien diese Reibungskurve für niedrige Gleitgeschwindigkeiten widerlegen. In diesem Projekt wollen wir eine experimentelle Reibungskurve in Abhängigkeit von der Temperatur und der Skigeschwindigkeit mit Hilfe neuer bzw. verbesserter Messmethoden erstellen. Dies soll es uns ermöglichen, verschiedene Vorgänge beim Gleiten eines Skis auf Schnee zu beweisen oder zu widerlegen, von denen angenommen wird, dass sie bei der Reibung eine Rolle spielen. Wir werden Reibungsexperimente mit Skiern bei Geschwindigkeiten bis zu 90 km/h und Umgebungstemperaturen bis zu -20C auf einem 24 m langen linearen Reibungsprüfstand (Tribometer) durchführen. Oberflächeneigenschaften von Ski und Schnee werden mit verschiedenen Messgeräten bestimmt. Um die Bildung von flüssigem Wasser zu detektieren, werden mehrere unterschiedliche Methoden eingesetzt: Temperatursensorenim Skibelag, Infrarotaufnahmender Schneeoberfläche, chemische Feuchteindikatoren und kapazitive Sensoren. In speziellen Experimenten verwenden wir Trockeneis, um die Schneeoberfläche auf unter -30C abzukühlen. Auf diese Weise minimieren wir die so genannte quasi- flüssige Wasserschicht (eine nur wenige Moleküle dicke Wasserschicht auf der Oberfläche der Schneekörner bei Temperaturen bis zu -30C), von der angenommen wird, dass sie das Gleiten der Skier beeinflusst.