Elektrostatische Reibung
Die Forschung der letzten dreißig Jahre hat gezeigt, dass jedes Mal, wenn ein gewachster Belag auf dem Schnee gleitet, eine elektrostatische Ladung auf der Belagoberfläche entsteht, und dass die Stärke dieser Ladung von der Geschwindigkeit abhängt; bei Abfahrtsgeschwindigkeiten wird fast achtmal so viel Ladung erzeugt wie bei Slalomgeschwindigkeiten. Eine Möglichkeit, sich die elektrostatische Reibung zu vergegenwärtigen, ist die statische Aufladung, die dazu führt, dass Gegenstände aneinander haften, wie Socken, die aus dem Trockner kommen, wenn man kein antistatisches Trocknertuch verwendet. Wenn das Wachs auf dem Belag einer elektrostatischen Aufladung ausgesetzt ist, werden seine Gleiteigenschaften erheblich verringert. Die elektrostatische Reibung ist die am meisten übersehene und am wenigsten verstandene Komponente der Schneereibung. Im Gegensatz zu den anderen drei Komponenten erfordert ihr Verständnis ein solides Verständnis der komplexen, interdisziplinären Wissenschaft, Zugang zu Instrumenten und viele Tests auf dem Schnee. Aber wenn man lernt, damit umzugehen, kann man die größten Gewinne bei der Reduzierung der Schneereibung erzielen.
Verringerung der elektrostatischen Reibung:
Die Beimischung antistatischer Additive zu den Kohlenwasserstoffwachsen verhindert die Bildung elektrostatischer Ladungen und erhält die Schmiereigenschaften des Wachses. Typische antistatische Zusätze sind Graphit, Molybdändisulfid und Wolframdisulfid. Die folgende Abbildung zeigt die statische Aufladung als Funktion der Fahrzeit in drei Situationen: Belag ohne Wachs (schwarze Linie), gewachst mit einem handelsüblichen Kohlenwasserstoffwachs (blaue Linie) und gewachst mit einem antistatischen DOMINATOR-Wachs (rote Linie). Die Skigeschwindigkeit betrug etwa 25 km/h, bei höheren Geschwindigkeiten sind die Auswirkungen viel stärker ausgeprägt. Wir sehen, dass sich die statische Aufladung auf dem Belag ohne Wachs nur sehr langsam, wenn überhaupt, aufbaut. Wenn der Belag mit einem Kohlenwasserstoffwachs gewachst wird, nimmt die statische Aufladung mit zunehmender Gleitzeit deutlich zu; nach 30 Sekunden beginnt sie rapide anzusteigen, und bei der Minutenmarke ist die statische Aufladung bei dem gewachsten Belag sechsmal höher als bei dem Belag ohne Wachs. Die Verwendung eines Wachses mit einem Antistatik-Zusatz verhindert die statische Aufladung, und das Ladeprofil ähnelt dem des Belags ohne Wachs.
Andere Tests haben ergeben, dass bei Abfahrtsgeschwindigkeiten fast achtmal so viel Ladung erzeugt wird wie bei Slalomgeschwindigkeiten.
Aus den obigen Angaben geht hervor, dass die innere Reibung (FI) eines Kohlenwasserstoffwachses erheblich zunimmt, wenn es elektrisch aufgeladen wird. Der Zusatz eines Antistatikums (unten als schwarze Karte dargestellt) verringert die elektrostatische Aufladung und die innere Reibung des Wachses.
Die oben genannten Phänomene sind im Skirennsport schon oft aufgetreten, auch wenn sie meist unbemerkt blieben. Eine Reihe von Abfahrtsläufen haben berichtet, dass ihnen das Wachs ausgegangen sein muss oder der Belag auf halber Strecke ausgegangen ist, da die Skier deutlich langsamer wurden als sie die unteren Ebenen erreichten. Als die Techniker die Skier nach dem Rennen untersuchten, stellten sie fest, dass im Belag noch viel Wachs vorhanden war. Durch die hohen Geschwindigkeiten bei der Abfahrt wurde das Wachs immer wieder aufgeladen, was die innere Reibung erhöhte und die Schmierung beeinträchtigte, so dass der Ski mit der Zeit langsamer wurde. Hätten sie die Skier nach dem Rennen nur auf den unteren Flächen gleiten lassen, wären sie schnell gewesen, denn wenn die Skier nicht mehr in Bewegung sind, baut sich die elektrostatische Ladung langsam ab. Dieser Effekt wird bei den Gleittests wegen der kürzeren Dauer der Testläufe und der etwas niedrigeren Geschwindigkeiten in der Regel nicht erkannt. Wir hören oft von Langläufern, dass die DOMINATOR Antistatikwachse bei langen Rennen mit der Zeit immer schneller werden. In Wirklichkeit werden die anderen Wachse aufgrund der elektrostatischen Aufladung langsamer, und da die Teilnehmer das Gefühl haben, dass sie die anderen in den späteren Phasen des Rennens mehr überholen als in der Anfangsphase, nehmen sie an, dass ihre Skier schneller werden. Unsere Forschung hat hinreichend bewiesen, dass jedes Wachs durch die Zugabe eines antistatischen Mittels schneller werden kann. Es besteht kaum ein Zweifel daran, dass Sie, wenn Sie ein Wachs ohne einen Zusatz verwenden, Leistung liegen lassen.
Für eine optimale Leistung muss daher jedes Wachs oder jede Wachsmischung ein Antistatikum enthalten.
Dieses klare Ziel bringt eine Reihe von Herausforderungen mit sich:
- Es sind verschiedene Antistatikmittel erhältlich, deren Art und Menge jedoch sehr sorgfältig ausgewählt werden muss; viele dieser Mittel weisen eine sehr hohe innere Reibung auf, wenn sie sich gegen die Wachskarten" bewegen.
- Neuschnee und alte Schneekristalle erzeugen unterschiedliche statische Ladungen. Die Ladung wird auf der Oberfläche des Kristalls verteilt, so dass die Form, insbesondere die Symmetrie und die Kanten, bestimmen, wie diese Ladung verteilt wird. Dies wiederum bestimmt, wie er sich entlädt und welche Art von Antistatikum erforderlich ist, um diese Entladung zu erleichtern.
- Eine Reihe von Antistatika zeigen unter bestimmten Schneeverhältnissen eine recht unberechenbare Leistung. Ein Beispiel dafür ist Graphit. Wachshersteller entdeckten vor Jahrzehnten, dass Graphitwachse unter bestimmten Bedingungen viel schneller waren als Wachse ohne Graphit, und fast jeder Hersteller bot Graphitwachse an. In der Praxis zeigte sich, dass die Leistung von Graphitwachsen unvorhersehbar war, und manchmal wirkte sich Graphit sehr negativ auf die Geschwindigkeit aus. Da sie die Gründe für diese Unvorhersehbarkeit nicht verstehen konnten, nahmen die meisten Unternehmen Graphitwachse aus ihren Produktlinien. Es folgten eine Reihe neuer und verbesserter Mittel wie Molybdän, Wolfram usw., die jedoch wieder aus dem Sortiment genommen wurden, als sie sich ebenfalls als unberechenbar und riskant erwiesen, wenn man sie ohne Tests verwendete.
Trotz der oben genannten Herausforderungen haben wir erhebliche Mittel für die Erforschung antistatischer Zusatzstoffe bereitgestellt, da wir der Meinung waren, dass ihre Rolle nicht ignoriert werden kann. Wir konzentrierten uns auf solche, die auch als Hochdruck-Schmiermittel fungieren können und gegen starke Verschmutzung resistent sind. Das erste Ziel bestand darin, mit so wenig Zusatzstoffen wie möglich auszukommen, da wir wussten, dass hohe Mengen dieser Zusatzstoffe die innere Reibung des Wachses erhöhen können. Vom Konzept her war dies die einfachste der Herausforderungen: Wir sollten die kleinste Partikelgröße verwenden, die wir finden oder erzeugen konnten, und eine maximale Abdeckung des Untergrunds erreichen. Dies ist in der nachstehenden Abbildung dargestellt:
Wenn der Partikeldurchmesser bei gleichem Gewicht des Zusatzstoffs von einem Millimeter auf einen Mikrometer (auch Mikron genannt) ansteigt, vergrößert sich die von den Partikeln bedeckte Fläche um das Tausendfache. Bei einem Nanometer ist die abgedeckte Fläche eine Million Mal größer. Daher mahlen wir unsere Additive mit einer Kugelmühle auf einen Durchmesser von weniger als einem Mikrometer, in der Regel 0,2 bis 0,6 Mikrometer, und erreichen so eine ausreichende Abdeckung mit geringen Mengen an Additiven.
Wir entdeckten sehr früh, dass Graphit in den meisten Fällen ein sehr wirksamer antistatischer Zusatz für Neuschnee ist, in einigen Fällen jedoch die Reibung erhöht. Schließlich stellten wir einen Zusammenhang zwischen der Leistung und der Form der Schneekristalle sowie der Art und Weise her, wie die elektrischen Ladungen auf der Oberfläche der Kristalle verteilt waren. Die Komplexität der Situation mit Graphit wird im Folgenden dargestellt.
Auf molekularer Ebene sind alle Graphitarten gleich, es handelt sich um geschichtete Strukturen, wie links dargestellt. Stellen Sie sich diese Schichten als Beispiel für das Kartenspiel vor, das wir zuvor verwendet haben; dieses Graphitspiel ist rutschig, antistatisch und kann nicht von harten Verunreinigungen durchstoßen werden, so dass es auch als Schmiermittel für extremen Druck verwendet werden kann. Diese Schichten sind mit bloßem Auge oder selbst unter einem sehr starken Mikroskop nicht sichtbar. Das Foto auf der rechten Seite ist eine Aufnahme von Graphitpulver; mit bloßem Auge sehen alle Graphitarten gleich aus. Das Foto in der Mitte wurde mit einem Mikroskop aufgenommen und zeigt, wie sich die Graphitmoleküle zusammenfügen; dies ist der Schlüssel zum Rätsel. Je nach Herstellungsmethode können sich die Graphitmoleküle zu Stäben, Platten, Kugeln oder Nadeln zusammenfügen. Auch die Größe der einzelnen Formen variiert, von weniger als einem Mikrometer bis zu mehreren Dutzend Mikrometern. Jede Form interagiert unterschiedlich mit jeder Art von Neuschnee, so dass sie die Reibung auf einer Art von Schnee verringern, auf einer anderen aber erhöhen kann. Auch die Schneetemperatur spielt eine wichtige Rolle, und die Wirkung des Antistatikums auf die Schneereibung kann auch von der Temperatur abhängen. Ein "universelles" Antistatik-/Extremdruck-Additiv für alle unsere neuen Schneewachse wurde schließlich nach einem ausgeklügelten computergestützten Versuchsdesign, Forschungsarbeiten in modernsten Labors und umfangreichen Tests auf Schnee entwickelt. Es handelt sich um eine maßgeschneiderte Mischung aus zwei Graphitformen, jede in ihrer eigenen spezifischen Submikrongröße; wenn wir eine der oben genannten Variablen ändern, ist das Additiv nicht mehr für alle neuen Schneekristalle wirksam.
Nach den gleichen Prinzipien haben wir ein einzigartiges antistatisches Paket entwickelt, das für die elektrische Ladungsverteilung auf den abgerundeten und komprimierten Kristallen von transformiertem Schnee am besten geeignet ist.
Alle Wettkampfwachse der DOMINATOR-Linie enthalten antistatische Zusätze und werden anhand des enthaltenen Antistatik-Pakets in Wachse für Neuschnee und Wachse für Altschnee unterteilt. Eine kleine Anzahl unserer Wachse für Verbraucher und Trainingszwecke enthält keine antistatischen Zusätze, aber der Hauptgrund dafür ist, dass einige Verbraucher die vorübergehende Verschmutzung der Grundgrafik durch das Antistatikum-Paket ablehnen.
Um die elektrostatische Reibung zu verringern, muss jedes Wachs oder jede Wachsmischung einen sorgfältig ausgewählten antistatischen Zusatz enthalten.
Zusammenfassung der Schneereibung
Um die Schneereibung zu reduzieren, müssen alle vier Komponenten (trockene Reibung, Reibung durch Verunreinigungen, Nasssog und elektrostatische Reibung) berücksichtigt werden:
Der kritischste Parameter beim Wachsen ist, dass das Wachs immer härter sein muss als der Schnee und darüber hinaus in der Lage sein muss, dem Eindringen von harten Verunreinigungen im Schnee zu widerstehen. Bei einem hohen Anteil an harten Verunreinigungen im Schnee sind extreme Druckschmiermittel erforderlich.
Das Wachs muss hydrophob genug sein, um die Bildung eines durchgehenden Wasserfilms zu verhindern. Die wirksamsten wasserabweisenden Stoffe (PFAS) wurden von einigen Dachverbänden verboten, und es wurden Heißwachsbasen auf der Grundlage spezieller Silikone entwickelt, die auf wärmerem Schnee genauso wirksam sind wie PFAS-haltige Wachse und auf kälterem, aggressiverem Schnee deutlich besser. Der Bereich, in dem Perfluorkohlenstoff-Overlays im Allgemeinen glänzen, sind Schneetemperaturen von -7°C und wärmer, oder immer dann, wenn auf der Piste eine Glasur auftritt. Zwar gibt es jetzt fluorfreie Beläge, die dem nahe kommen, aber es ist zweifelhaft, dass irgendetwas mit den Perfluorkohlenwasserstoffen bei der Anfangsbeschleunigung mithalten kann, da sie hervorragende wasser- und ölabweisende Eigenschaften mit einem extrem niedrigen Reibungskoeffizienten kombinieren. Die nächste Front bei der Verbesserung der Anfangsbeschleunigung auf nassem Schnee wird aus der Strukturforschung kommen, und die Lücke, die das Verbot von Perfluorkohlenwasserstoffen hinterlässt, wird höchstwahrscheinlich durch Strukturprofile gefüllt werden, die Wasser bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten in winzige Tröpfchen zerteilen.
Der am meisten übersehene Effekt ist der der statischen Elektrizität auf die Geschwindigkeit bei allen Schneeverhältnissen. Erhebliche Vorteile ergeben sich, wenn dem Wachs ein Antistatikum zugesetzt wird. Antistatische Wachse mit zuverlässiger Leistung und präzisen Anwendungsrichtlinien werden immer besser abschneiden als klare Wachse.
Zusammenfassung der Schneereibung
- Technische Informationen
- Schneereibung und wie man sie reduziert
- Kohlenwasserstoff-Wachs-Technologie
- Verunreinigung durch Umweltschadstoffe (Schmutz)
- Nasssog - Teil 1
- Nasssog - Teil 2
- Nasssog - Teil 3
- Elektrostatische Reibung (Aktuelle Seite)
- Wachs in den Belag einbringen
- Die drei Schritte des Wettkampfwachsens
- Wettbewerbsstrategie