Con 5 g nel precipizio: la tecnologia di misura HBM nella Formula 1 degli sport invernali

Le forze agenti su un bob da corsa nel canale di ghiaccio a Berchtesgaden Königssee, Germania furono misurate sistematicamente usando una completa catena di misura HBM, dal gruppo di tribologia dei materiali del Zentralinstitut für Medizintechnik ZIMT del Politecnico di Monaco. Gli estensimetri applicati sulla scocca e sui pattini del bob fornirono una prima occhiata sulle condizioni di sollecitazione durante la corsa del bob lungo il canale di ghiaccio. Le conoscenze acquisite facilitano la strada per l'ottimizzazione sistematica dei pattini del bob.

Fin'ora i pattini per lo sport del bob sono stati sviluppati e prodotti esclusivamente sulla base di informazioni empiriche. La vasta esperienza del pilota di bob e dell'addestratore, insieme alle prove a lungo termine, sono la principale garanzia per raggiungere le prime posizioni nelle competizioni internazionali. Condizioni di addestramento difficili da riprodurre, cambiamenti del tempo e delle condizioni della pista rendono difficoltoso il confronto diretto delle diverse geometrie dei pattini e dei materiali per la loro costruzione. Tuttavia, i risultati di misura verificati sono la base per le specifiche influenze sulle caratteristiche dei pattini e sono essenziali quali dati di ingresso per i calcoli FEM. Inoltre, essi permettono la determinazione delle forze agenti sul bob e sul corpo dei pattini, favorendo l'accurata descrizione dell'interazione fra i pattini ed il ghiaccio. La conoscenza della locazione e del livello di penetrazione dei corpi slittanti nello strato di ghiaccio può aiutare ad ottimizzare il processo di scivolamento.

Alta sollecitazione meccanica, misurazione simultanea di 48 segnali di sensori con cadenza di campionamento >2 000 Hz, accelerazioni fino a 5 g, basse temperature e funzionamento a batterie, insieme alle minori dimensioni possibili, tutto concorre a rendere l'MGCplus il partner ideale per il canale di ghiaccio. Vengono misurate la deformazione dei pattini, il carico totale per pattino e le accelerazioni dei pattini e della struttura del bob. Per quanto concerne la misurazione della deformazione dei pattini, si poterono misurare contemporaneamente i due pattini dato che usando l'MGCplus si disponeva complessivamente di 48 canali di misura.

L'uso di sensori capacitivi per le addizionali misurazioni di accelerazione fu possibile semplicemente sostituendo i pattini sul posto. Si usarono estensimetri lineari per determinare la deflessione degli assi. Sui pattini furono applicate rosette estensimetriche per misurare le sollecitazioni principali e la loro direzione.

In totale furono effettuate 21 corse di misura nel canale di ghiaccio a Königssee con i membri della squadra di bob bavarese Karl Angerer, Christoph Gaisreiter e Katrin Dostthaler. In totale, venne registrato un volume di dati di 43 MB per corsa di misura, calcolato con ampiezza del segnale di 32 bit, frequenza di misura di 2 400 Hz con 48 canali individuali e durata della registrazione di 100 secondi.
I dati di misura generati furono salvati nell'MGCplus, in una compatta scheda di memoria flash e poi letti ed elaborati con un notebook munito di software catman^®.
Durante le corse di misura con il bob a due, il sistema di acquisizione dati era posizionato fra il pilota ed il frenatore. Particolare attenzione fu presa durante l'installazione per assicurare che non ci fosse alcun pericolo di danni fisici per la squadra del bob. L'MGCplus fu messo a terra sulla struttura e sui pattini del bob.

Essendo possibile la specifica ottimizzazione della geometria dei pattini solo sotto carico, la locazione, il tempo e la posizione del bob erano note, tutti i risultati di misura generati dovettero essere messi in relazione con le proprietà geometriche e strutturali del canale di ghiaccio. Ciò fu implementato assegnando i risultati di misura mediante l'impiego di una mappa eventi sviluppata per la pista da bob. La Figura 5 (vedere il file PDF) mostra un diagramma schematizzato della pista da bob in combinazione con il carico degli assi del bob a due. Nel diagramma, i segnali dei sensori fanno riconoscere chiaramente i vari eventi nel canale di ghiaccio.
A causa delle forze centripete agenti sul bob, la deflessione degli assi ed il segnale acquisito dal sensore aumenta quadraticamente all'aumentare della velocità e linearmente al diminuire del raggio della pista.
All'ultima curva in discesa, detta il muro dell'eco, la forza agente sul pilota e la squadra aumenta di cinque volte il peso del loro corpo. In questo punto il bob è soggetto alla massima sollecitazione.

La posizione del bob veniva precisamente determinata usando il segnale per l'accurata assegnazione dei carichi nella corrispondente locazione nel canale di ghiaccio. Ciò può essere implementato integrando la velocità rispetto al tempo. La velocità può essere determinata confrontando i segnali degli assi: la deflessione dell'asse anteriore era ripetuta da quella dell'asse posteriore dopo un leggero ritardo di tempo. La velocità media poteva essere determinata perché era nota la distanza degli assi del bob.

La grande pressione competitiva ed equipaggiamenti sempre più veloci richiedono procedure sistematiche per tutti gli ulteriori sviluppi negli sport invernali. La tecnologia di misura detiene qui una posizione chiave e può fornire suggerimenti sull'aumento delle sollecitazioni, usandola come base per le verifiche e le simulazioni.
Utilizzando i risultati di misura registrati nel canale di ghiaccio di Berchtesgaden, fu creato un modello FEM al Zentralinstitut für Medizintechnik (Istituto Centrale per la tecnica Medicale) del Politecnico di Monaco, il quale permette la simulazione dei processi misurati.