Warum das Skibelagmaterial entscheidend ist – Teil 2
Was berührt den Schnee tatsächlich?
Ganz zu Beginn des Gleitvorgangs kann das Skibelagmaterial selbst bei einem frisch präparierten und vollständig gewachsten Skibelag nur wenig oder möglicherweise überhaupt keinen direkten Kontakt mit dem Schnee haben.
Stattdessen findet der anfängliche Kontakt hauptsächlich zwischen der Schneeoberfläche und den zusätzlich aufgetragenen Wachs- und Beschichtungsschichten statt. Während der ersten mehreren hundert Meter kann das äußerste Kontaktmaterial ein Topcoat oder ein sogenannter Speeder sein.
Dieser anfängliche Zustand bleibt jedoch nicht unverändert.
Abhängig von den Schneebedingungen können mechanischer Verschleiß und Veränderungen der miteinander in Kontakt stehenden Oberflächen nahezu unmittelbar einsetzen.
Schneekörner unterliegen elastischen und plastischen Verformungen, Bruch, Abrieb, Veränderungen ihrer Form und Lageverschiebungen. Einige dieser Prozesse verändern die Geometrie und die mechanischen Eigenschaften der Schneeoberfläche dauerhaft.
Entscheidend ist, dass diese Prozesse nicht unabhängig vom Skibelag ablaufen. Jede Veränderung in einem Teil des Kontaktsystems kann die mechanische Wechselwirkung mit den anderen Teilen beeinflussen.
Gleichzeitig sind die Wachs- und Beschichtungsschichten lokalen Drücken, Schubspannungen und abrasiven Wechselwirkungen ausgesetzt. Ihre Dicke, Verteilung und Kontinuität können sich daher während des Gleitvorgangs fortschreitend verändern.
Vordere und hintere Kontaktzonen – die makroskopische Betrachtung
Je nach Skikonstruktion, Vorspannungsprofil, Steifigkeitsverteilung und aufgebrachter Belastung kann sich der Kontakt zwischen Ski und Schnee auf zwei hauptsächliche makroskopische Bereiche konzentrieren: die vordere und die hintere Kontaktzone.
Geometrie, Länge, Druckverteilung und relative Belastung dieser Kontaktzonen hängen vom jeweiligen Ski und den tatsächlichen Laufbedingungen ab.
Obwohl beide Kontaktzonen zum selben Ski gehören, müssen die physikalischen Vorgänge innerhalb dieser Bereiche nicht identisch sein.
Die vordere Kontaktzone trifft zuerst auf die Schneeoberfläche und verändert damit die Bedingungen, auf welche die hintere Kontaktzone anschließend trifft.
Während die vordere Kontaktzone über den Schnee gleitet, können Schneekörner elastisch und plastisch verformt werden, brechen, abgerieben, verschoben oder neu angeordnet werden.
Diese Vorgänge können die lokale Geometrie der Schneeoberfläche, die Packungsdichte der Schneekörner, die Kontaktsteifigkeit und unter bestimmten Bedingungen auch die Verteilung des Wassers an der Kontaktfläche verändern.
Folglich trifft die hintere Kontaktzone auf eine Schneeoberfläche, die durch die vordere Kontaktzone bereits mechanisch und möglicherweise auch thermisch verändert wurde.
Allerdings bleibt die Schneeoberfläche zwischen dem Durchgang der beiden Kontaktzonen nicht zwangsläufig unverändert.
Während dieses kurzen Zeitintervalls können eine teilweise elastische Rückverformung, eine Neuanordnung von Schneekörnern und eine Umverteilung des Wassers an der Kontaktfläche auftreten.
Die hintere Kontaktzone wiederholt deshalb nicht einfach die Reibungs- und Verschleißprozesse, die im vorderen Bereich stattgefunden haben.
Ihre tatsächliche Kontaktfläche, die lokale Druckverteilung, die Verformungsmechanismen und das Reibungsregime können sich erheblich unterscheiden.
Die vordere und die hintere Kontaktzone bilden zwei aufeinanderfolgende, mechanisch miteinander gekoppelte Phasen desselben Gleitvorgangs.
Diese Unterscheidung ist bei der Bewertung von Skibelagmaterialien, Strukturmustern, Wachsen und Beschichtungen wichtig. Ihre Leistungsfähigkeit kann nämlich nicht nur von den ursprünglichen Schneebedingungen abhängen, sondern auch davon, wie diese durch den vorangegangenen Kontakt verändert wurden.
Verteilung der tatsächlichen Kontaktstellen – die mikroskopische Betrachtung
Innerhalb jeder makroskopischen Kontaktzone ist der tatsächliche Kontakt zwischen Ski und Schnee nicht gleichmäßig über die strukturierte Skibelagoberfläche verteilt.
Der reale Kontakt findet an einer Vielzahl einzelner mikroskopischer Kontaktstellen statt, die zusammen nur einen Bruchteil der nominellen Kontaktfläche ausmachen.
Es ist zu erwarten, dass sich die meisten dieser Kontaktstellen an den höchsten und am stärksten exponierten Erhebungen des Skibelag-Strukturmusters befinden.
Abhängig von Größe, Form, Härte, Packungsdichte und Verformung der Schneekörner können sich jedoch auch innerhalb der Strukturrillen Kontaktstellen ausbilden.
Die Verteilung der tatsächlichen Kontaktstellen wird somit durch die Wechselwirkung zweier geometrisch und mechanisch komplexer Oberflächen bestimmt und nicht allein durch die Struktur des Skibelags.
Diese Verteilung ist außerdem dynamisch.
Wenn Schneekörner verformt werden, brechen, sich bewegen oder neu angeordnet werden, können einzelne Kontaktstellen entstehen, verschwinden oder sich an andere Stellen verlagern.
Gleichzeitig verändert der fortschreitende Verschleiß von Wachsen und Beschichtungen die Materialien, die an diesen Kontaktstellen freiliegen.
Die einzelnen Kontaktstellen unterscheiden sich zudem hinsichtlich ihrer Größe, ihres lokalen Drucks und der mechanischen Wechselwirkungen. Einige übertragen relativ geringe Belastungen, während andere wesentlich höheren lokalen Spannungen und einem intensiveren Abrieb ausgesetzt sind.
Diese Unterschiede beeinflussen nicht nur die Verformung und den Verschleiß der Schneekörner, sondern auch den Abtrag von Wachs- und Beschichtungsmaterialien von der Skibelagoberfläche.
Wichtig ist außerdem, dass die mikroskopischen Kontaktbedingungen in der vorderen und hinteren Kontaktzone unterschiedlich sein können, selbst wenn das Strukturmuster und die Oberflächenpräparation identisch sind.
Die vordere Kontaktzone trifft auf die ursprüngliche Schneeoberfläche, während die hintere Kontaktzone mit einer Oberfläche in Wechselwirkung tritt, die bereits einem vorangegangenen mechanischen Kontakt ausgesetzt war.
Daher können sich die Verteilung der mikroskopischen Kontaktstellen, die lokalen Drücke und die Verschleißmechanismen zwischen beiden Kontaktzonen unterscheiden.
Eine sich kontinuierlich verändernde Gleitkontaktfläche
Die tatsächliche Kontaktfläche zwischen Ski und Schnee ist keine unveränderliche Oberfläche.
Auf makroskopischer Ebene treten die vordere und die hintere Kontaktzone nacheinander mit dem Schnee in Wechselwirkung, wobei unterschiedliche mechanische und thermische Bedingungen vorliegen können.
Auf mikroskopischer Ebene verändern einzelne Kontaktstellen fortlaufend ihre Geometrie, Position, ihren lokalen Druck und ihre Materialzusammensetzung.
Gleichzeitig werden Wachs- und Beschichtungsschichten an den am stärksten exponierten Kontaktstellen fortschreitend verändert oder abgetragen, während Material in tieferen Strukturrillen über wesentlich längere Zeit geschützt bleiben kann.
Das Material, das den Schnee tatsächlich berührt, kann sich daher während des Gleitvorgangs verändern: vom ursprünglich aufgetragenen Topcoat oder Speeder über darunterliegende Wachsschichten bis hin zum freiliegenden Skibelagmaterial selbst.
Dieser Übergang muss weder gleichmäßig über die gesamte Skibelagoberfläche noch gleichzeitig innerhalb der vorderen und hinteren Kontaktzone stattfinden.
Die tatsächliche Gleitkontaktfläche ist ein sich kontinuierlich veränderndes System, in dem Schneeeigenschaften, Kontaktgeometrie, lokaler Druck, Oberflächenmaterialien und Verschleißprozesse einander gegenseitig beeinflussen.
Das Verständnis dieser Entwicklung ist entscheidend, wenn erklärt werden soll, weshalb die Eigenschaften des Skibelagmaterials selbst im Verlauf des Skilaufens zunehmend an Bedeutung gewinnen können.