Valideringsstudie avseende plastskidspårs friktionskoefficienter vid olika skidbelagsprepareringar

Transkript

1 Valideringsstudie avseende plastskidspårs friktionskoefficienter vid olika skidbelagsprepareringar Valideringsärende nr: 1/2017 Valideringsdatum: Projektnamn: Plastskidspår Företag: Speedface AB Kontaktperson: Lars Englund Validering genomförd av Dala Sports Academy genom: Lars Wedholm, Tomas Carlsson, Ibro Ribic och Magnus Carlsson 1

2 Bakgrund/problem Längdskidåkning är en aktivitetsform som samlar alltifrån elit till motionärer under vinterhalvåret. Den fysiologiska belastning som längdskidåkaren upplever är de yttre krafter som härrör till friktionen mellan skidor och snö, luftmotståndet samt arbeta mot gravitationen i uppförsbackar (Bergh 1987). Arbetet som krävs för att övervinna dessa tre grundläggande yttre krafter varierar utifrån snöns beskaffenhet och temperatur, åkhastighet respektive uppförsbackens vertikala höjdskillnad. Under längdskidåkning medför friktionen att skidor och snö delvis är separerade av en tunn vattenfilm som fungerar som ett glidmedel och minskar friktionskoefficienten. Om för mycket vatten är närvarande och/eller bildas kommer däremot friktionen mellan skidor och snö att öka, vilket medför att skidåkaren behöver utföra ett större arbete vid en given åkhastighet. Vanligtvis ligger friktionskoefficienten, som beskriver friktionen mellan skidor och snö, i intervallet mellan 0,015 och 0,040 (Breitschädel 2014; Kuzmin 2010; Colbeck 1994). Vid mycket kall och finkornig snö eller blöt snö kan friktionskoefficienten övergå 0,040 och i undantagsfall närma sig 0,100 (Colbeck 1994). Under sommarhalvåret använder skidåkare i hög grad rullskidåkning som ett rörelsenära komplement till längdskidåkning på snö. En stor nackdel med rullskidåkning är att åkaren vanligtvis behöver nyttja allmänna vägar med jämnt underlag, då tillgången på asfalterade rullskidbanor är mycket begränsad. Ett alternativ till rullskidåkning kan vara skidåkning på plastskidspår, men för att kunna erbjuda ett fullgott alternativ behöver friktionen mellan skidor och plastunderlag vara i närheten av de friktionskoefficienter som konstaterats för längdskidåkning på snö. Huvudsyftet för denna valideringsstudie var att analysera friktionskoefficienten mellan skida och plastskidspår vid olika skidbelagsprepareringar. Metod och testdesign Studieupplägg För att validera plastskidspårets egenskaper i form av friktion mellan skida och plastskidspår gjordes en testuppställning med rullbandet (Saturn 450/300rs, h/p/cosmos sports & medical GmbH, Goettingen, Tyskland) som lutande plan (Figur 1). 2

3 a b Figur 1. Testuppställning för analys av dynamisk och statisk friktion mellan skidor och plastskidspår där: a) visar utgångspositionen inför varje ny friktionsmätning, b) visar uppställningen av tidtagningssystemet. Inför friktionsmätningarna genomfördes, med stöd av Kungliga Tekniska Högskolan, en analys av plastskidspårets materialsammansättning. Motsvarande materialanalys gjordes även av den italienska plastmatta som kan betecknas som föregångare till Speedface plastskidspår. Analyserna påvisade att huvudbeståndsdelen i båda plastmattealternativen var polyeten med högdensitet. Det italienska alternativet hade sju viktprocent fettsyror/vax tillagt i plasten (Bilaga 1). Vid friktionsmätningarna användes enbart det plastskidspår som levererats av Speedface och inga friktionshämmande åtgärder vidtogs för avseende glidytan. Vid analysen av de dynamiska friktionskoefficienterna så användes 10 lutning på rullbandet. Accelerationssträckan från utgångspositionen till det att åkarens underben bröt tidtagningssystemets (IVAR Jump & Speed Analyzer, LN Sport Konsult HB, Stockholm, Sverige) första fotocell var 5,04 m. Avståndet mellan fotocellsparet var 1 m och den registrerade åktiden användes för att beräkna ingångshastigheten i den efterföljande horisontella glidsektionen som var 16 m lång. Den totala glidsträckan mättes med måttband och nollpunkten sattes mittemellan fotocellsparet. Vid analysen av de statiska 3

4 friktionskoefficienterna ökade rullbandets lutning med 0,1 till dess att testpersonen började glida framåt, varvid den sista jämviktslutningen användes vid beräkningarna. Inför testerna var skidorna (Fischer RCS, Sports GmbH, Österrike) preparerade med Swix CH4-paraffin och i nedanstående resultatbeskrivning benämns detta alternativ som Obehandlade skidor. Testpersonen vikt inklusive utrustning var 76,6 kg. För att studera hur olika skidbelagsprepareringar påverkar friktionskoefficienten mellan skida och plastskidspår preparerades skidorna med fyra friktionshämmande prepareringsalternativ: 1. Glidmedel (Klick Natural Glide, RFSU AB, Sverige); 2. Vaselinspray (Kelfort, Ferney Group BV, Holland); 3. Silikonspray (Importör TRIXI, Sverige); 4. Silikongel (Start silikongel, Startex Oy, Finland). För samtliga fyra prepareringar så gjordes först skidan ren innan ett tunt lager av preparatet applicerades direkt på skidbelaget och ströks ut med hjälp av ett finger. Beräkning av friktionskoefficienterna Med utgångspunkt från grundläggande fysik sattes följande samband upp för beräkning av friktionskoefficienterna för statisk respektive dynamisk friktion mellan skida och plastskidspår. s 3 F N1 v 2 F A F FR1 s 1 t 2 s 2 F N3 h α F FR3 Figur 2. Testuppställning för analys av statisk och dynamisk friktion. Beräkning av dynamisk friktionskoefficient (μ d ) Beräkning av statisk friktionskoefficient (μ s ) F FR3 = F N3 μ d F FR3 s 3 = (m v 22 ) / 2 F N = m g cos α F A = F FR1 F N3 = m g m g μ d s 3 = (m v 22 )/ 2 F A = m g sin α m g sin α = m g cos α μ s v 2 = s 2 / t 2 μ d = (m v 22 )/(2 m g s 3 ) F FR1 = F N μ s μ s = sin α / cos α 4

5 Statistik Samtliga resultat från friktionsmätningarna presenteras som medelvärde ± 1 standardavvikelse om inget annat anges. För att jämföra friktionskoefficienterna vid de olika prepareringarna av skidbelaget och deras relation till friktionen då skidbelaget var obehandlat så genomfördes en envägs ANOVA. För att undersöka om friktionskoefficienten påverkades av antal upprepningar beräknades lutningskoefficienten för sambandet mellan friktionskoefficient och upprepning. Denna lutningskoefficient jämfördes statistiskt med 0, vilken representerar alternativet att friktionskoefficienten är oberoende av antal upprepningar. Resultat Testresultat vid lutningen 10 I tabell 1 redovisas ingångshastighet, glidsträcka och beräknade friktionskoefficient vid olika skidbelagsprepareringar för testerna med lutningen 10. Tabell 1. Testresultat från friktionsmätningar vid lutning 10 Obehandlade Glidmedel Vaselinspray Silikonspray Silikongel Hastighet (m/s) 2,94 ± 0,00 3,08 ± 0,15 3,21 ± 0,04 3,19 ± 0,05 3,22 ± 0,00 Glidsträcka (m) 7,94 ± 0,27 10,66 ± 1,76 12,54 ± 1,13 12,55 ± 0,15 12,81 ± 0,30 Friktionskoefficient 0,056 ± 0,001 0,046 ± 0,002 0,042 ± 0,003 0,041 ± 0,001 0,041 ± 0,001 Samtliga värden i tabellen anges som medelvärde ± 1 standardavvikelse. Hastighet, motsvarar ingångshastigheten v 2 (se Figur 2) i den horisontella glidsektionen; Glidsträcka, representerar total glidsträcka s 3 (se Figur 2) i den horisontella glidsektionen; Friktionskoefficient, den beräknade friktionskoefficienten med utgångspunkt från ingångshastighet och glidsträcka. Jämförelse av friktionskoefficienterna vid lutningen 10 Förutsättningarna för ANOVA med normalfördelade variabler och lika varianser uppfylldes. Resultatet av envägs ANOVA visade att det finns en signifikant skillnad mellan friktionskoefficienterna för de olika skidbelagsprepareringarna (F4,25 = 32,0, p < 0,001). Posthoc-analyser påvisar att samtliga fyra prepareringar för att minska friktionen mellan skida och plastskidspår har en friktionshämmande effekt jämfört med det obehandlade skidbelaget (p < 0,001 för samtliga fyra prepareringsalternativ) (Figur 3). Vidare visade analyserna att 5

6 behandlingarna Siliconspray och Silicongel hade signifikant lägre friktionskoefficienter jämfört med Glidmedel (båda p < 0,05) (Figur 3). *** *** *** *** * * Figur 3. Den dynamiska friktionskoefficienten för respektive prepareringsalternativ av skidans belag, där kvadraten anger medelvärdet och felstaplarna representerar ± 1 standardavvikelse. Statistiska skillnader mellan de olika prepareringarnas friktionskoefficienter anges som * för p < 0,05; ** för p < 0,01; *** för p < 0,001. Antal upprepningars påverkan friktionskoefficienterna Friktionskoefficienterna vid prepareringsalternativen Glidmedel och Vaselinspray ökade signifikant med antal gånger som friktionstestet upprepades (p < 0,01 respektive p < 0,05). Däremot uppvisade de övriga tre testade alternativen (d.v.s. Obehandlade, Silikonspray och Silikongel) ingen signifikant påverkan på friktionskoefficienterna under de sex upprepningar som analyserades (Figur 4). 6

7 Figur 4. Friktionskoefficienternas förändring med antal upprepningar av friktionsmätningen vid lutningen 10. Summering avseende de dynamiska friktionsmätningarna Utifrån de gjorda friktionsmätningarna så kan man konstatera att samtliga testade prepareringsalternativ reducerade friktionen mellan skida och plastskidspår. Under testerna framkom att det vattenbaserade glidmedlet snabbt torkade ut och fick en klistrig konsistens, vilket kan förklara det signifikanta sambandet mellan antal upprepningar och den samtidiga ökningen hos friktionskoefficienten för prepareringsalternativet Glidmedel. De två längsta glidsträckorna vid lutningen 10 mättes upp då skidbelaget var nypreparerat med Vaselinspray (13,97 respektive 13,91 m), men glidsträckan avtog gradvis under de efterföljande mätningarna. De alternativ som visade sig ge en bra friktionshämmande effekt samtidigt som friktionen inte steg nämnvärt mellan upprepningarna var Silikonspray och Silikongel. 7

8 Statisk friktion De statiska friktionskoefficienterna för de olika prepareringsalternativen visas i Figur 5. Den beräknade statiska friktionskoefficienterna är något högre än motsvarande koefficienter som representerar den dynamiska friktionen för de olika prepareringsalternativen för skidbelaget. Figur 5. Den statiska friktionskoefficienten för respektive prepareringsalternativ. Slutsats De uppmätta dynamiska friktionskoefficienterna kopplade till de tre mest friktionshämmande prepareringsalternativen (d.v.s. Vaselinspray, Silikonspray och Silikongel) var drygt 0,04, vilket motsvarar friktionen vid skidåkning då snön klassificeras som något blöt. Av de testade friktionshämmande prepareringsalternativ förordar vi användning av Silikongel, då denna uppvisar en tydligt friktionshämmande effekt som inte avtog under det få antal upprepningar som testades under valideringen. Ur en miljömässig 8

9 hållbarhetssynpunkt är vår bedömning att detta alternativ är bättre än alternativen Vaselinspray och Silikonspray, då den dels är en vanligt använd kommersiell skidvalla och endast en liten mängd preparat behövs för att skapa den friktionshämmande effekten. För att kunna bedöma de förordade produktens nötningsbeständighet behövs dock upprepade friktionsmätningar göras efter olika (längre) åksträckor på plastskidspåret. Vidare är vår bedömning att det skulle vara av stort intresse att genomföra motsvarande friktionstester med ett plastskidspår där polyetenen blandats med fettsyror eller vax. Referenser Bergh U (1987) The influence of body mass in cross-country skiing. Med Sci Sports Exerc 19: Breitschädel F (2014) Technical aspects to improve performance in cross-country skiing. Norwegian University of Science and Technology, Trondheim Colbeck SC (1994) A review of the friction of snow skis. J Sports Sci 12: Kuzmin L (2010) Interfacial kinetic ski friction. Mid Sweden University, Östersund 9