ste.verzini
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POWERLINE: il POWER BALANCE per gli sci
“Stabilità, precisione e sicurezza”: queste sono le parole che hanno usato i testmen per descrivere le sensazioni provate durante i test degli sci che adottano la tecnologia POWERLINE. Ecco una possibile spiegazione del principio di funzionamento.
Mi presento: sono Stefano Verzini ho 25 anni e sono un neo-ingegnere meccanico appassionato di attrezzature sportive e in particolare di sci. Ho condotto inoltre un lavoro di ricerca su alcuni telai di biciclette da corsa in fibra di carbonio analizzando le vibrazioni meccaniche che intervengono durante il moto. Sono alcuni mesi però che cerco materiale e informazioni in merito alle tecnologie costruttive adottate dalle varie case per smorzare le vibrazioni sugli sci. Sembra infatti diffusa la tendenza dei costruttori a sviluppare tecnologie in grado di ridurre quella sgradevole sensazione definita volgarmente “sbattimento dello sci” che si trasmette allo sciatore come una vibrazione che incute scarsa sicurezza e stabilità. Dai giudizi registrati dai testmen che hanno provato la tecnologia POWERLINE sembra proprio che questa soluzione abbia risolto molti problemi di instabilità. Pertanto, spinto da una mia personale curiosità, ho provato a dare una spiegazione sul funzionamento di questa novità e di come hanno lavorato i tecnici e gli ingegneri per sviluppare questi sci.
Per eseguire una traiettoria fluida anche su nevi ghiacciate è indispensabile che la lamina rimanga costantemente a contatto con il terreno senza che questa, assieme allo sci, cominci a “sbattere” generando la vibrazione in questione. Per analizzare il fenomeno è possibile modellare il sistema costituito dalla pala anteriore dello sci e dall'attacco come una trave di sezione rettangolare incastrata a un'estremità. Sulla base della teoria della meccanica delle vibrazioni è possibile identificare le frequenze delle vibrazioni flessionali libere delle travi (formula 1.1). Scrivendo le equazioni di equilibrio delle forze e dei momenti su un elemento di trave e imponendo le condizioni di vincolo ad un'estremità della trave è possibile scrivere la formula per calcolare le frequenze naturali del sistema. Se un sistema meccanico viene eccitato con una forzante che opera a questa frequenza, il sistema mostrerà spostamenti sempre più grandi tanto da essere definito autoeccitante.
Un esempio per rendere chiaro il concetto è quello dell'altalena su cui dondola un bambino. Una volta imposto uno spostamento iniziale il sistema continua ad oscillare ad una determinata frequenza; per aumentare l'ampiezza delle oscillazioni è necessario che la mamma imprima delle spinte all'altalena alla stessa frequenza con cui oscilla il bimbo. Se la mamma non seguisse il ritmo del pendolamento finirebbe col ridurre l'ampiezza delle oscillazioni del figlio. Lo stesso accade con la nostra trave incastrata solo che essendo un sistema continuo, e non discreto come quello dell'altalena, presenta diverse frequenze naturali a cui corrispondono diverse forme modali. Una forma modale non è altro che la configurazione assunta dal sistema vibrante in corrispondenza di una determinata frequenza naturale. Osservando le figure delle prime forme modali relative al modello della trave incastrata riportato di seguito è possibile rendere meglio il concetto.
Si utilizza la formula per il calcolo delle frequenze naturali del sistema trave.
Si considerano i dati relativi ad una barra in acciaio riportati in tabella:
Modulo elastico del materiale
206 GPa
Densità del materiale
7800 kg/m^3
Lunghezza della barra
500 mm
Momento d'inerzia della sezione
208 mm^4
Area della sezione
100 mm^2
Eseguendo i calcoli si ottengono le seguenti frequenze naturali:
Prima frequenza naturale (ß1L=1.875)
f1=16.588 Hz
Seconda frequenza naturale (ß2L=4.694)
f2=103.964 Hz
Terza frequenza naturale (ß3L=7.855)
f2=291.132 Hz
figura 1.1
Prima forma modale
figura 1.2
Seconda forma modale
figura 1.3
Terza forma modale
Quindi, in base alle considerazioni fatte in precedenza se all'estremità libera della trave applico una forzante la cui intensità varia con la stessa frequenza dalla prima pulsazione naturale si osserva il fenomeno della risonanza che vede la vibrazione dell'asta aumentare progressivamente la sua ampiezza di oscillazione. Nel caso in cui la forzante applicata presenti una frequenza di oscillazione diversa dalle pulsazioni naturali calcolate, la trave vibrerà coinvolgendo tutte le forme modali e quindi la configurazione assunta dal sistema vibrante sarà la composizione dei vari modi di vibrare dell'asta. Infine, un'ulteriore considerazione da fare che risulterà utile per comprendere il fenomeno è la definizione di nodo ovvero il punto di una struttura vibrante il cui spostamento è nullo per una specifica frequenza naturale. Nelle forme modali rappresentate nelle figure 1.1, 1.2 e 1.3 i nodi sono presenti nelle zone colorate di blu mentre quelle di massimo spostamento sono colorate di rosso e giallo.
Analogamente all'analisi eseguita sul sistema semplificato della trave incastrata è possibile condurre uno studio sugli sci che adottano la tecnologia POWERLINE per tentare di dare un'interpretazione al suo funzionamento.
Dopo aver modellato in 3D, tramite un software di modellazione solida, un classico modello di sci da gigante; si schematizza la condizione di riferimento in cui si verifica il fastidioso fenomeno dello “sbattimento”. Quando lo sciatore esegue una curva e sposta il busto all'interno della curva per contrastare la forza centrifuga, l'unica parte di sci che rimane costantemente a contatto con il terreno è quella sotto lo scarpone. Pertanto, nella schematizzazione di riferimento è possibile considerare una trave libera alle estremità e vincolata in mezzeria. Dall'analisi del modello schematizzato si ottengono le forme modali riportate nelle figure seguenti. Le illustrazioni riportate riguardano frequenze di risonanza inferiori ai 70 Hz in quanto il corpo umano risulta poco sensibile a sollecitazioni con frequenze superiori.
figura 1.5
Prima forma modale dello sci
figure 1.6
Seconda forma modale dello sci
figura 1.7
Terza forma modale dello sci
figura 1.8
Combinazione delle forme modali dello sci
La POWERLINE viene descritta come un sistema di ammortizzamento attivo che dà stabilità e procura un ottimo contatto sci/neve aumentando il controllo e la sicurezza. Secondo questa interpretazione questo dispositivo non è altro che una barra realizzata con un materiale con notevoli caratteristiche smorzanti, ancorata alla struttura dello sci che consente di smorzare le vibrazioni indotte dal fondo ghiacciato. L'ancoraggio all'anima dello sci, se si osserva il posizionamento delle viti (ben visibili), avviene in corrispondenza delle zone di massimo spostamento raffigurate con i colori rosso e giallo nelle illustrazioni 1.5, 1.6 e 1.7. Probabilmente per evitare di avere uno sci eccessivamente rigido gli ancoraggi della POWERLINE (vedi rettangoli viola della figura 1.8) non vengono posizionati alle estremità ma bensì spostati leggermente verso l'attacco. L'effetto ottenuto è quindi di avere spostamenti ridotti e un notevole smorzamento nel caso in cui si inneschino fenomeni vibranti che influenzano la condotta dello sci in curva.
Ing. Stefano Verzini
Nei mesi scorsi ho avuto l’occasione di provare per la prima volta un paio di Salomon Equipe 3V Powerline equipaggiati appunto con la tecnologia che ho analizzato. Erano alla prima uscita e la neve era piuttosto dura e compatta pertanto ho potuto apprezzare al meglio le sensazioni che questi sci trasmettono allo sciatore e i benefici che si ottengono con questa nuova tecnologia. E’ uno sci che lascia gestire curve a medio e corto raggio con totale sicurezza ed equilibrio. Risultano molto piacevoli da condurre in quanto, se si è ben bilanciati, sembrano seguire dei binari consentendo la conduzione della curva in maniera fluida e senza sbavature. Per uno sciatore occasionale a mio avviso risultano inadatti da portare a spasso visto che per assaporare il piacere di averli ai piedi è necessario spigolare bene impegnando notevolmente la muscolatura. Uno sciatore più esperto saprà infatti apprezzare la buona deformabilità della struttura 3D Race Monocoque di questi sci che regala particolari emozioni sul ripido mostrando tutta la sua reattività. Altra nota di merito è legata alla tecnologia Powerline che smorza le vibrazioni specialmente sulle nevi più dure e ghiacciate. La sensazione è quella di avere degli sci sempre ancorati al terreno che riducono al minimo lo sbattimento delle estremità. Il tutto lo si percepisce tramite un suono leggero che coinvolge frequenze elevate (presumo si trasmettano al cervello per conduzione ossea) frutto della rigidità e della conformazione della struttura degli sci. Le vibrazioni fino a circa 10Hz (quelle più fastidiose durante la conduzione della curva) vengono smorzate mentre quelle a frequenza più elevata sono libere. Da rilevare anche una nota di demerito relativamente al peso: 800 grammi più di un paio di sci della stessa categoria (non sono pochi, in neve fresa si sentono tutti!!). Ma se questo è il prezzo da pagare per viaggiare su dei binari su un fondo di neve battuta allora non si discute. Concludo elogiando questi sci per le sensazioni di sicurezza e reattività che possono regalare a uno sciatore esperto che è disposto a impegnare notevolmente la muscolatura degli arti inferiori per pretende il massimo dalla sua attrezzatura.
“Stabilità, precisione e sicurezza”: queste sono le parole che hanno usato i testmen per descrivere le sensazioni provate durante i test degli sci che adottano la tecnologia POWERLINE. Ecco una possibile spiegazione del principio di funzionamento.
Mi presento: sono Stefano Verzini ho 25 anni e sono un neo-ingegnere meccanico appassionato di attrezzature sportive e in particolare di sci. Ho condotto inoltre un lavoro di ricerca su alcuni telai di biciclette da corsa in fibra di carbonio analizzando le vibrazioni meccaniche che intervengono durante il moto. Sono alcuni mesi però che cerco materiale e informazioni in merito alle tecnologie costruttive adottate dalle varie case per smorzare le vibrazioni sugli sci. Sembra infatti diffusa la tendenza dei costruttori a sviluppare tecnologie in grado di ridurre quella sgradevole sensazione definita volgarmente “sbattimento dello sci” che si trasmette allo sciatore come una vibrazione che incute scarsa sicurezza e stabilità. Dai giudizi registrati dai testmen che hanno provato la tecnologia POWERLINE sembra proprio che questa soluzione abbia risolto molti problemi di instabilità. Pertanto, spinto da una mia personale curiosità, ho provato a dare una spiegazione sul funzionamento di questa novità e di come hanno lavorato i tecnici e gli ingegneri per sviluppare questi sci.
Per eseguire una traiettoria fluida anche su nevi ghiacciate è indispensabile che la lamina rimanga costantemente a contatto con il terreno senza che questa, assieme allo sci, cominci a “sbattere” generando la vibrazione in questione. Per analizzare il fenomeno è possibile modellare il sistema costituito dalla pala anteriore dello sci e dall'attacco come una trave di sezione rettangolare incastrata a un'estremità. Sulla base della teoria della meccanica delle vibrazioni è possibile identificare le frequenze delle vibrazioni flessionali libere delle travi (formula 1.1). Scrivendo le equazioni di equilibrio delle forze e dei momenti su un elemento di trave e imponendo le condizioni di vincolo ad un'estremità della trave è possibile scrivere la formula per calcolare le frequenze naturali del sistema. Se un sistema meccanico viene eccitato con una forzante che opera a questa frequenza, il sistema mostrerà spostamenti sempre più grandi tanto da essere definito autoeccitante.
Un esempio per rendere chiaro il concetto è quello dell'altalena su cui dondola un bambino. Una volta imposto uno spostamento iniziale il sistema continua ad oscillare ad una determinata frequenza; per aumentare l'ampiezza delle oscillazioni è necessario che la mamma imprima delle spinte all'altalena alla stessa frequenza con cui oscilla il bimbo. Se la mamma non seguisse il ritmo del pendolamento finirebbe col ridurre l'ampiezza delle oscillazioni del figlio. Lo stesso accade con la nostra trave incastrata solo che essendo un sistema continuo, e non discreto come quello dell'altalena, presenta diverse frequenze naturali a cui corrispondono diverse forme modali. Una forma modale non è altro che la configurazione assunta dal sistema vibrante in corrispondenza di una determinata frequenza naturale. Osservando le figure delle prime forme modali relative al modello della trave incastrata riportato di seguito è possibile rendere meglio il concetto.
Si utilizza la formula per il calcolo delle frequenze naturali del sistema trave.
Si considerano i dati relativi ad una barra in acciaio riportati in tabella:
Modulo elastico del materiale
206 GPa
Densità del materiale
7800 kg/m^3
Lunghezza della barra
500 mm
Momento d'inerzia della sezione
208 mm^4
Area della sezione
100 mm^2
Eseguendo i calcoli si ottengono le seguenti frequenze naturali:
Prima frequenza naturale (ß1L=1.875)
f1=16.588 Hz
Seconda frequenza naturale (ß2L=4.694)
f2=103.964 Hz
Terza frequenza naturale (ß3L=7.855)
f2=291.132 Hz
figura 1.1
Prima forma modale
figura 1.2
Seconda forma modale
figura 1.3
Terza forma modale
Quindi, in base alle considerazioni fatte in precedenza se all'estremità libera della trave applico una forzante la cui intensità varia con la stessa frequenza dalla prima pulsazione naturale si osserva il fenomeno della risonanza che vede la vibrazione dell'asta aumentare progressivamente la sua ampiezza di oscillazione. Nel caso in cui la forzante applicata presenti una frequenza di oscillazione diversa dalle pulsazioni naturali calcolate, la trave vibrerà coinvolgendo tutte le forme modali e quindi la configurazione assunta dal sistema vibrante sarà la composizione dei vari modi di vibrare dell'asta. Infine, un'ulteriore considerazione da fare che risulterà utile per comprendere il fenomeno è la definizione di nodo ovvero il punto di una struttura vibrante il cui spostamento è nullo per una specifica frequenza naturale. Nelle forme modali rappresentate nelle figure 1.1, 1.2 e 1.3 i nodi sono presenti nelle zone colorate di blu mentre quelle di massimo spostamento sono colorate di rosso e giallo.
Analogamente all'analisi eseguita sul sistema semplificato della trave incastrata è possibile condurre uno studio sugli sci che adottano la tecnologia POWERLINE per tentare di dare un'interpretazione al suo funzionamento.
Dopo aver modellato in 3D, tramite un software di modellazione solida, un classico modello di sci da gigante; si schematizza la condizione di riferimento in cui si verifica il fastidioso fenomeno dello “sbattimento”. Quando lo sciatore esegue una curva e sposta il busto all'interno della curva per contrastare la forza centrifuga, l'unica parte di sci che rimane costantemente a contatto con il terreno è quella sotto lo scarpone. Pertanto, nella schematizzazione di riferimento è possibile considerare una trave libera alle estremità e vincolata in mezzeria. Dall'analisi del modello schematizzato si ottengono le forme modali riportate nelle figure seguenti. Le illustrazioni riportate riguardano frequenze di risonanza inferiori ai 70 Hz in quanto il corpo umano risulta poco sensibile a sollecitazioni con frequenze superiori.
figura 1.5
Prima forma modale dello sci
figure 1.6
Seconda forma modale dello sci
figura 1.7
Terza forma modale dello sci
figura 1.8
Combinazione delle forme modali dello sci
La POWERLINE viene descritta come un sistema di ammortizzamento attivo che dà stabilità e procura un ottimo contatto sci/neve aumentando il controllo e la sicurezza. Secondo questa interpretazione questo dispositivo non è altro che una barra realizzata con un materiale con notevoli caratteristiche smorzanti, ancorata alla struttura dello sci che consente di smorzare le vibrazioni indotte dal fondo ghiacciato. L'ancoraggio all'anima dello sci, se si osserva il posizionamento delle viti (ben visibili), avviene in corrispondenza delle zone di massimo spostamento raffigurate con i colori rosso e giallo nelle illustrazioni 1.5, 1.6 e 1.7. Probabilmente per evitare di avere uno sci eccessivamente rigido gli ancoraggi della POWERLINE (vedi rettangoli viola della figura 1.8) non vengono posizionati alle estremità ma bensì spostati leggermente verso l'attacco. L'effetto ottenuto è quindi di avere spostamenti ridotti e un notevole smorzamento nel caso in cui si inneschino fenomeni vibranti che influenzano la condotta dello sci in curva.
Ing. Stefano Verzini
Nei mesi scorsi ho avuto l’occasione di provare per la prima volta un paio di Salomon Equipe 3V Powerline equipaggiati appunto con la tecnologia che ho analizzato. Erano alla prima uscita e la neve era piuttosto dura e compatta pertanto ho potuto apprezzare al meglio le sensazioni che questi sci trasmettono allo sciatore e i benefici che si ottengono con questa nuova tecnologia. E’ uno sci che lascia gestire curve a medio e corto raggio con totale sicurezza ed equilibrio. Risultano molto piacevoli da condurre in quanto, se si è ben bilanciati, sembrano seguire dei binari consentendo la conduzione della curva in maniera fluida e senza sbavature. Per uno sciatore occasionale a mio avviso risultano inadatti da portare a spasso visto che per assaporare il piacere di averli ai piedi è necessario spigolare bene impegnando notevolmente la muscolatura. Uno sciatore più esperto saprà infatti apprezzare la buona deformabilità della struttura 3D Race Monocoque di questi sci che regala particolari emozioni sul ripido mostrando tutta la sua reattività. Altra nota di merito è legata alla tecnologia Powerline che smorza le vibrazioni specialmente sulle nevi più dure e ghiacciate. La sensazione è quella di avere degli sci sempre ancorati al terreno che riducono al minimo lo sbattimento delle estremità. Il tutto lo si percepisce tramite un suono leggero che coinvolge frequenze elevate (presumo si trasmettano al cervello per conduzione ossea) frutto della rigidità e della conformazione della struttura degli sci. Le vibrazioni fino a circa 10Hz (quelle più fastidiose durante la conduzione della curva) vengono smorzate mentre quelle a frequenza più elevata sono libere. Da rilevare anche una nota di demerito relativamente al peso: 800 grammi più di un paio di sci della stessa categoria (non sono pochi, in neve fresa si sentono tutti!!). Ma se questo è il prezzo da pagare per viaggiare su dei binari su un fondo di neve battuta allora non si discute. Concludo elogiando questi sci per le sensazioni di sicurezza e reattività che possono regalare a uno sciatore esperto che è disposto a impegnare notevolmente la muscolatura degli arti inferiori per pretende il massimo dalla sua attrezzatura.
