Wie gleiten Skier?

Nur eine Frage der Physik? Ole-Einar Bjørndalen beim Skilaufen.

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Ole-Einar Bjørndalen, einer der besten Läufer in der Skating-Technik. Im Wettkampfsport entscheiden Fitness und Technik der Sportler, aber auch die Kompetenz des technischen Betreuungsteams, das den Belag der Skier der jeweiligen Witterung anpasst.

Um eine optimale Gleitfähigkeiten bei Rennskiern zu erhalten, wird immer noch viel herumprobiert. Da nimmt der eine Servicemann die anspruchsvollen Latten zwar nicht gerade ins Bett, aber doch mit auf sein Zimmer - sein Kollege dagegen schwört auf eine kalte Nacht im Schnee für die Bretter. Zudem werden die Beläge manchmal sanft poliert, bei Bedarf geht man aber auch schon mal mit der Stahlbürste darüber.

Diese Situation ist nicht nur unbefriedigend für den Hersteller, sie irritiert auch den Forscher. Denn es kann doch nicht sein, dass man nicht durch besseres Verständnis der physikalischen Bedingungen die Gleiteigenschaften von Skiern verbessern kann.

Skibelagtester (Tribometer)

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Skibelagtester (Tribometer): Auf diesem Gerät kann die Reibung zwischen Skibelag und Eis gemessen werden. Dabei wird an der Halterung rechts im Bild der Ski befestigt, der danach auf dem rotierenden Ring mit Eis fährt beziehungsweise reibt.

Gerätetests statt Feldversuche

Während man früher für Versuche zumeist irgendwelche Skicracks mehrmals mit verschiedenen Brettern in einem Feldversuch eine Teststrecke runtersausen ließ, arbeitet man in der modernen Forschung etwa am Eidgenössischen Institut für Schnee- und Lawinenforschung in Davos mit einer Testanlage im Kältelabor. Hier können unter kontrollierten Bedingungen die Störfaktoren Mensch, Wind und Wetter eliminiert und gleichzeitig die Datenmenge erhöht werden. Mit einem so genannten Tribometer, einem Drehteller mit einer Eisspur, auf der ein Miniaturski fährt, können die Forscher beispielsweise die Reibung zwischen Ski und Eis exakt bestimmen.

Dabei zeigt sich, dass der entscheidende Faktor beim Gleiten ein Wasserfilm ist, der durch die Reibung zwischen Ski und Schnee entsteht.

Damit überrascht auch der sehr kleine Reibungskoeffizient von bis zu minimal 0,03 bei Skiern nicht. Dieser hängt jedoch stark von den genauen Verhältnissen ab und ist beispielsweise bei kaltem Schnee höher. Denn mit zunehmender Schneetemperatur steigt die Dicke des Wasserfilms an, infolgedessen sinkt die Reibung.

Die wilde Struktur der Schneeoberfläche

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Die wilde Struktur der Schneeoberfläche: Das Modellbild zeigt, wie die Wärme sich im Schnee ausbreitet, wenn ein Ski darüber fährt. Grau bedeutet, dass die Temperaturen 0°C erreicht hat, und Wasser entstanden ist. Der Rest des Schnees erfährt fast keine Temperaturerhöhung (blau).

Möglichst wenig Kontakt

Trotzdem ist ein reines Wasserbad nicht die optimale Unterlage für Skier. Wie Lukas Bäurle, Materialwissenschaftler an der ETH Zürich, im Rahmen einer Doktorarbeit zeigen konnte, hat nämlich neben dem Wasserfilm auch die wahre Kontaktfläche Einfluss auf das Gleitverhalten. Bei Wasser wäre der Umfang der Kontaktfläche praktisch 100 Prozent. Das stellt einen Nachteil dar, da grundsätzlich der Zusammenhang gilt, dass je kleiner die Kontaktfläche ist, umso weniger Reibung und entsprechend auch weniger Geschwindigkeitsverlust auftritt. Das ist wahrscheinlich auch die Antwort auf die Frage, warum bei manchen Feldtests Damenskier besser abgeschnitten haben als Männerskier: Letztere sind länger und haben folglich eine größer Kontaktfläche.

Der optimale Belag

Doch was heißt das für die Praxis? Bei trockenem, feinkörnigem Schnee, so Bäurles Empfehlung, sollte auch der Skibelag fein strukturiert sein. So lässt sich die Kontaktfläche verringern. Bei altem oder nassem Schnee mit großen Körnern empfiehlt der Forscher dagegen einen gröber strukturierten Belag. Um eine optimale Ski- oder Wachsstruktur zu finden, bedarf es aber noch weiterer Forschungen.