Sliding friction of polyethylene on snow and ice - Bäurle, L. (ETH Zürich, 2012)
Durch Reibungswärme generierte Wasserfilme sind verantwortlich für die tiefe Reibung von Skis auf Schnee. Unsicherheit besteht über die Dicke und die Verteilung dieser Wasserfilme. Da direkte Beobachtung der Wasserfilme schwierig ist, werden Tribometer Messungen durchgeführt, und die Kontaktfläche zwischen Ski und Schnee wird untersucht. Die Arbeit ist in vier Teile gegliedert: Entwicklung und Bau des Tribometers, Tribometer Messungen, Untersuchung der Kontaktfläche und numerische Modellierung der Schnee- und Eisreibung. Es wird schwergewichtig die Reibung zwischen Polyethylen - dem hauptsächlich verwendeten Skibelagsmaterial - und Eis betrachtet, dies aufgrund von Schwierigkeiten bei der Durchführung von Experimenten auf Schnee. Ein grosser Tribometer (Durchmesser 1.80m, pin-on-disc Geometrie) für Reibungsmessungen auf Eis wurde entwickelt und gebaut. Die Anordnung steht in einer Kältekammer mit einem Temperaturbereich von -20 C bis +1 C. IR Thermoelemente messen die Temperatur der Eisspur vor und hinter der Probe. Integrierte Thermoelemente messen die Temperatur in der Polyethylen Probe. Der Reibungskoeffizient (µ) kann mit einer Genauigkeit von ±5% bestimmt werden. Die dynamische Reibung zwischen Polyethylen und Eis wird in Funktion von Temperatur, Geschwindigkeit, Last, scheinbarer Kontaktfläche und Oberflächentopographie bestimmt. Der Reibungskoeffizient, sowie die Temperaturerhöhung in der Probe hängt von allen diesen Parametern ab. Interpretationen werden gemacht unter der Annahme hydrodynamischer Reibung, welche die Generierung und Scherung dünner Wasserfilme mit einbezieht. Für die experimentelle Untersuchung der Kontaktfläche zwischen Polyethylen und Schnee wurden Rasterelektronenmikroskopie und Röntgen-Computertomographie benutzt. Die Kontaktstellengrösse kann abgeschätzt werden, und die wahre Kontaktfläche und ihre Abhängigkeit von der Last und der Schneeart kann bestimmt werden. Für die Untersuchung der Kontaktfläche zwischen Polyethylen und Eis (Tribometer Experiment) wurde optische Profilometrie von Abdrücken der Probe und des Eises durchgeführt. Der Poliereffekt des Eises durch die Probe während Reibungsmessungen kann beobachtet werden. Für alle diese Methoden resultieren präzise Oberflächencharakterisierungen, welche für die Vorhersage der Entwicklung der wahren Kontaktfläche und der Kontaktstellengrösse verwendet werden. Ein numerisches Modell des Gleitens auf Eis wird beschrieben. Es beinhaltet Trockenreibung und die Generierung der und Schmierung durch Wasserfilme. Weitere Mechanismen der Energieabgalie werden diskutiert. Das Modell wird anhand experimentell bestimmter Temperaturentwicklung und Reibungskoeffizienten verifiziert. Fazit: Gleiten auf Schnee und Eis kann mit hydrodynamischen Prinzipien beschrieben werden. Unregelmässig verteilte, dünne Wasserfilme sind für die tiefe Reibung verantwortlich. Die Wasserfilmdicke reicht von unter 100 nm bei tiefen Temperaturen bis ca. 1 µm nahe 0° C. Mittlere statische Kontaktfläche auf Eis ist ca. 5%, Durchmesser einer Kontaktstelle ist ca. 100 µm. Das Verhalten der Wasserfihne und die Grösse der wahren Kontaktfläche kann den Reibungsprozess erklären; keine Kapillarkräfte sind dazu notig. Der für die Reibung zwischen Ski und Schnee oder Eis kritischste Parameter ist die wahre Kontaktfläche. Die Reibung von Skis kann optimiert werden durch Verandern der Grösse und der Topographie der Lauffläche.