雪上摩擦测试装备


        滑雪板与雪面之间的摩擦系数很小,从0。01到0。05不等。滑雪的影响因素包括速度、载荷以及雪面的性质等,确定滑雪板在雪地上的摩擦系数是一项重大的技术挑战。目前研究中使用的摩擦测量系统可以分为两种:现场测量和实验室测量。国家队和雪蜡生产商都有独立的部门和志愿者进行现场测试以寻找性能好的雪蜡为比赛做准备[见图10(a)]。Budde等描述了一种高分辨率现场摩擦测量测试装置,如图10(b)所示。测试是在结冰的湖平面上长约10m的测试轨道上进行的,滑雪板底部装有4个反射目标,所以赛道左侧的一系列传感器可以确定时间和位置数据。通过在滑雪板上固定1个68cm X 79cm X 30cm的箱体(77kg重物)模拟人的重量,通过1组弹簧给滑雪板1个初始速度,利用测试轨道上固定距离的动能变化来测量高精度的摩擦系数(忽略空气阻力)。现场测试其优点在于测试情况与实际运动情况相一致,能够实现实际测试运动速度和载荷为摩擦优化提供有价值的参考。遗憾的是,现场测试存在几大问题:一是现场测试会受到环境条件的变化和滑雪者动作变化的影响;二是现场测试无法将空气阻力和滑行阻力分开,特别是在空气阻力很大的高速滑行时,这是一个主要问题;三是户外测试费时费力且数据重复性较差。


    现场测试的局限性加速了新型摩擦测试装置的发展,目前国内外论文工作中已发表了一些实验室用于监测冰和雪上摩擦系数的测试装置,这些装置可分为两类:线性摩擦测试装置和旋转摩擦测试装置。奥地利因斯布鲁克滑雪和高山运动技术中心拥有1台线性摩擦测试装置,也是目前最先进的线性摩擦测试装置。其可以在控制速度、负载和空气温度的条件下,测量和分析冬季运动特定样本和设备在平坦雪地上行驶时的摩擦力。该线性摩擦测试装置,如图11(a)所示,由导轨(c)、车架(a)、可横向移动冰或雪槽(b)以及电机(d)组成。高扭矩电动机通过光纤电缆拉动车架,使其能在导轨上运行,跑道长24m,分为加速、测量和减速部分,测试速度可以在0。1~30m/s之间设置。车架具体则是由垂直力测量系统(a。垂直弹簧加载杆;b。测压元件)和水平力测量系统(c。称重传感器;d。下部滑架)、数据采集与传输系统(e)、电感式长度测量系统和电池组成,如图11(b)所示。旋转摩擦测试装置则大都采用了“pin-on-disk”的模式,即该测试系统由1个可旋转的圆盘和1个固定的探头组成,通过测量作用在探头上的摩擦力来确定摩擦系数。Bäurle等采用了一种大型的旋转摩擦计,见图11(c),它由携带冰环的旋转工作台(直径1。8m)、冰面制造手臂(左)和摩擦力测量单元(右)组成,红外传感器用于测量前后的冰道温度,在滑块中集成了热电偶来测量冰表面附近的温度。摩擦力测量单元如图11(d)所示,负荷单元测量上(固定)、下(可移动)铝板之间的剪切力,法向力通过两个垂直的黄铜板来传递,弹簧起到过载保护的作用。聚氨酯橡胶垫可以用来补偿轨道的不均匀和振动,确保滑块与冰面平行接触;聚乙烯滑块、聚氨酯橡胶垫和下铝板之间通过双面胶粘接。旋转摩擦测试装置存在两大弊端:一是圆盘旋转时,探头会与雪面或冰面重复的接触;二是圆盘高速旋转会产生离心力,这样摩擦生热产生的水可能会径向向外移动,从而改变测量到的摩擦力。


        相较于线性摩擦测试装置,旋转摩擦测试装置的滑雪板尺寸受到限制,但旋转摩擦测试装置又具有体积小的优势。相较于现场测试,这些摩擦测试装置减少了不可预测的人为因素,并增加了速度和负载等参数的控制,同时又具有体积小、成本低和可控性高等优点。但在滑雪测试中使用实验室设备也存在一些缺点。首先,这种类型的测试只允许测试赛道的一小块区域;其次,样品在短时间内多次在同一表面上运行,这将影响整个测试过程中的雪面情况;最重要的一点,实验室测量不能完全模拟真正比赛雪场天气情况和雪况,测试速度难以达到运动员运行速度。

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注:本文转载自摩檫学学报《冰雪运动雪上摩擦学与雪蜡研究现状》,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。如有侵权行为,请联系我们,我们会及时删除。

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