Laboratory Friction Testing of Cross-Country Skis: Experimental Investigation of Ski Design Parameters’ Effect on Friction
Doctoral thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3150632Utgivelsesdato
2024Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Cross-country skiing holds a significant place in Norway's cultural history as the national sport. It plays a crucial role both in public health as a recreational activity and as a highly competitive sport. A decisive factor for performance in cross-country skiing is the friction between the ski and snow. As a consequence, a lot of effort is put into developing fast skis and glide products. In this development process, glide testing is essential to distinguish small differences between the products. However, a significant influence of changing weather, snow conditions and skier position make this task challenging in the field. This has made researchers develop laboratory setups to better control external factors. However, to obtain stable measurements, simplifications have been made by substituting snow with ice, and reducing both the sample size and speed. Therefore, the primary objective of this thesis has been to examine the friction between skis and snow within a controlled environment, under conditions that apply to crosscountry skiing.
The first part of this work consisted of the development of a ski-snow tribometer (an instrument for measuring friction). This tribometer comprises a 6.5-meter-long snow track situated inside a freezing chamber. A ski is mounted to a carriage, which is driven across the track while the normal- and frictional forces are measured. Additionally, laboratory-grown dendritic snow has been produced by a custom-built snow machine as part of this setup. The results from the precision investigation showed that the setup could measure the friction coefficient of skis on new dendritic snow with a precision good enough to distinguish skis or glide products with very similar performance (Δμ ≤ 0.001).
Based on the insights from the first study a new method to test skis has been developed. This method reduces the impact of a constantly changing snow surface with repeated runs, on the measured coefficient of friction. By assuming a linear polishing/friction trend of the measured coefficients of friction, the data can be modified to remove the effect of a falling or rising trend. This approach has proven effective in mitigating the impact of a changing coefficient of friction on the average between the skis and has been used in subsequent experimental studies.
The second study investigated how loading conditions such as the normal load and placement of load (binding position) affected the macroscopic contact parameters and friction on a crosscountry ski. To quantify the changes in macroscopic contact parameters we developed a rig for measuring the pressure profiles of the contact zones on cross-country skis. This was achieved by pressing the ski onto loadcells to get the force measurement at every centimeter along the ski base. The results showed that increasing the normal load on the ski led to an increase in the contact length (apparent contact area), an increase in the average contact pressure, a larger load split towards the rear, and shorter spacing between the front and rear zones. The friction tests revealed that the coefficient of friction exhibited minimal variation with increased normal loads across three different snow conditions. Additionally, adjusting the ski binding to a more rearward position resulted in decreased friction levels under both cold (−10 °C) and warm (+5°C) air temperatures. Due to the interconnected parameters of the modern cross-country ski, it was difficult to explain how the different contact parameters contributed to the measured change in the coefficient of friction.
Building on the knowledge from the second study, we developed an adjustable ski designed to isolate and manipulate the macroscopic contact parameters. This enabled the third study to focus on investigating the contact parameters isolated effect on the coefficient of friction. The adjustable ski decoupled the contact zones from the effect of the normal load, meaning that the apparent contact area was constant for different normal loads. In addition, the binding could be moved over the entire length of the ski, and the distance between the zones could be independently adjusted. These parameters were tested under settings relevant to cross-country skiing, meaning slider/contact zone configuration, speed, and snow conditions were in a range where the frictional trends have high validity to real-world skiing. The results showed that an increase in the average contact pressure was strongly connected to a reduction in the coefficient of friction at cold temperatures of -10 °C. At intermediate, (-2 °C) and warm (+5 °C) air temperatures the apparent contact area had a stronger effect on the friction than the normal load. The result of the load split between the contact zones at cold temperatures provided experimental evidence for the hypothesis that moving frictional power toward the front slider could create a thicker liquid-like layer earlier along the sliding ski, which consequently would result in a reduction in friction. Lastly, the effect of spacing showed a small, but consistent decreasing trend in friction for shorter spacing across the three temperatures tested. Sammendrag
Langrenn har en betydelig plass i Norges kulturelle historie som nasjonalsport. Skisport spiller en viktig rolle både som en fritidsaktivitet for folkehelsen og som en idrett med stor interesse og popularitet. En avgjørende faktor for prestasjon i langrenn er friksjonen mellom ski og snø. Som et resultat legges det mye arbeid i å utvikle raske ski og glidprodukter. I denne utviklingsprosessen er glidtesting avgjørende for å kunne skille mellom de små forskjellene i friksjon mellom de ulike produktene. Likevel er det utfordringer med å gjennomføre glidetesting i løyper utendørs på grunn av betydelig påvirkning fra skiftende værforhold, snøkvalitet og skiløperens posisjon. Dette har motivert forskere til å utvikle måleinstrumenter i laboratorium for å oppnå mer presis kontroll over eksterne faktorer. Imidlertid har forenklinger i form av å erstatte snøen med is, samt redusere størrelsen på prøvene (ski) og hastigheten blitt gjort for å sikre stabile målinger. Derfor har denne avhandlingen primært fokusert på å undersøke friksjonen mellom ski og snø i et kontrollert miljø, under betingelser som er typiske for langrenn.
Den første delen av dette arbeidet omhandler utviklingen av et tribometer for å kvantifisere friksjonen mellom ski og snø. Dette instrumentet omfatter en 6,5 meter lang snøbane som er plassert inni et kjølerom. Skiene monteres på en vogn som beveger seg over banen, og underveis måles friksjons- og normalkraften. For å komplettere oppsettet, blir naturlige snøkrystaller (dendritisk struktur) produsert ved hjelp av en spesialkonstruert snømaskin. Resultatene indikerte at oppsettet var i stand til å måle skiens friksjonskoeffisient på nyprodusert dendritisk snø med tilstrekkelig nøyaktighet for å differensiere mellom ski eller glidprodukter med svært lik ytelse (Δμ ≤ 0,001).
Basert på innsiktene fra den første studien, har det blitt utviklet en ny metode for skitesting. Denne metoden reduserer påvirkningen fra kontinuerlige endringer i snøoverflaten under gjentatte målinger av skiene. Ved å utnytte den lineære trenden i polering og slitasje observert i friksjonsmålingene for de forskjellige skiene, kan den gjennomsnittlige friksjonskoeffisienten for hver ski justeres. Dette reduserer effekten av en avtagende friksjonskoeffisient (raskere spor), noe som gjør sammenligningen mellom ski mer pålitelig. Denne metoden har blitt anvendt i de etterfølgende eksperimentelle studiene.
Den andre studien undersøkte hvordan normalkraft (løpervekt) og plassering av kraft (bindingsposisjon) påvirket de makroskopiske kontaktparameterne (kontaktareal, kontakttrykk, lastfordeling og avstand mellom kontaktsonene) og friksjonen på en langrennsski. For å kvantifisere endringene i de makroskopiske kontaktparameterne ble det utviklet en rigg for å måle trykkprofiler i kontaktsonene på langrennsski. Dette ble utført ved å trykke en ski ned på lastceller for å få kraftmålinger for hver centimeter langs skisålen. Resultatene viste at økende normalkraft på skien førte til en lengre kontaktsoner (større kontaktareal), en økning i gjennomsnittlig kontakttrykk, en større lastfordeling mot bakre kontaktsone, og kortere avstand mellom for- og bakre kontaktsone. Friksjonmålingene av skien viste at friksjonskoeffisienten ble lite påvirket av en økning i normalkraften på tvers av tre forskjellige snøforhold. Videre førte justering av skibindingen bakover til reduserte friksjonsnivåer under både kalde (-10 °C) og varme (+5 °C) lufttemperaturer. Fordi de sammenkoblede parameterne til den moderne langrennsskien endret seg uavhengig av hverandre, var det vanskelig å forklare hvordan de forskjellige kontaktparameterne påvirket den observerte endringen i friksjonskoeffisienten.
Ut fra innsikten oppnådd i den andre studien, ble det utviklet en justerbar ski spesilet designet for å isolere og manipulere de makroskopiske kontaktparameterne. Dette gjorde det mulig å undersøke deres isolerte effekt på friksjonskoeffisienten. Den justerbare skien isolerte
kontaktsonene fra effekten av normalkraften, noe som betyr at det synlige kontaktarealet var konstant for forskjellige normalkrafter. I tillegg kunne bindingen flyttes over hele skiens lengde, og avstanden mellom sonene kunne justeres uavhengig. Disse parameterne ble testet under forhold relevante for langrenn, noe som betyr at modelskien/kontaktsonens konfigurasjon, hastighet og snøforhold var i et spekter der friksjonstrendene har overførbarhet for langrenn ute i løypen. Resultatene viste at en økning i gjennomsnittlig kontakttrykk var sterkt koblet til en reduksjon i friksjonskoeffisienten ved kalde temperaturer på -10 °C. Ved mellomliggende (-2 °C) og varme (+5 °C) lufttemperaturer hadde det synlige kontaktarealet en sterkere effekt på friksjonen enn normalkraften. Resultatet av lastfordelingen mellom kontaktsonene ved kalde temperaturer ga eksperimentelt bevis for hypotesen om at flytting av kraftpunktet (bindingen) mot den fremre kontaktsonen kunne skape større friksjonsvarme lengre frem på skien. Dette ville igjen fremme tidligere dannelse av en vannfilm for smøring langs skien under glid, noe som igjen ville lede til en nedgang i friksjon. Til slutt viste resultatene at avstanden mellom kontaktsonene hadde en liten, men konsistent synkende trend i friksjon for kortere avstand mellom kontaktsonene over de tre temperaturene som ble testet.
Består av
Paper 1: Auganæs, Sondre Bergtun; Buene, Audun Formo; Klein-Paste, Alex. Laboratory testing of cross-country skis – Investigating tribometer precision on laboratory-grown dendritic snow. Tribology International 2022 ;Volum 168 https://doi.org/10.1016/j.triboint.2022.107451 This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).Paper 2: Auganæs, Sondre Bergtun; Buene, Audun Formo; Klein-Paste, Alex. The effect of load and binding position on the friction of cross-country skis. Cold Regions Science and Technology 2023 ;Volum 212. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2023.103884 This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Paper 3: Auganæs, Sondre Bergtun; Buene, Audun Formo; Klein-Paste, Alex. Experimental investigation into the effect of macroscopic cross-country ski parameters on gliding friction. Cold Regions Science and Technology 2024 ;Volum 225. https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2024.104264 This is an open access article under the CC BY license (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).