Tab. 3.1: Skimasse

Abb. 3.1: Racecarver P 40 F1

Abb. 3.2: Funcarver F 20

Allgemein unterscheidet man in Abhängigkeit vom Geräteradius, -härte und -länge zwischen Normalski, Funcarver, Easycarver, Racecarver, Freeride und Freestyleski. Geräte mit weniger als 18 m Radius werden sehr kurz (1.60 m) gefahren, sie reichen dem Fahrer etwa bis zur Schulter. Sie eignen sich gut, um sehr enge Kurvenradien zu fahren und werden Funcarver genannt. Bis zu einem Radius von 25-30 m und einer gewissen Härte spricht man von Racecarver, wie sie auch im Rennsport benutzt werden. Easycarver liegen zwischen Race- und Funcarvern, sie sind für Anfänger gut geeignet. Freerideskis sind etwas breiter, um im Tiefschnee mehr Auftrieb zu haben, und Freestyleskis gibt es in allen möglichen Formen. Mit ihnen lässt es sich auch rückwärts fahren. Normalskis werden nur noch selten verkauft. Sie weisen eine kleine Taillierung bzw. grossen Radius auf.

Die bei den Messungen benutzten Skis waren fabrikneu.

Als Bindung wurde eine MARKER M 9.1 EPS3 Race verwendet. (Marker Deutschland GmbH) Die Gewichtseinstellung für die Auslösung stellten wir auf das Minimum ( DIN 12). Der Schuh der Marke NORDICA (Grand Prix Mod. 99, Racing) hatte eine Sohlenlänge von 315 mm. Die Bindungshöhe betrug 14 mm. Die Standhöhe im Schuh betrug 50 mm, das Maximum, welches im Rennsport erlaubt ist.

Die zwei Kraftmessplatten der Firma MARKER sind aus Aluminium gefertigt und wiegen je 673 g. Sie haben als Prinzip die Standverkürzung, d.h. sie haben die Form eines Trapezes (Siehe Abb. 3.3). Die kurze Seite wird auf den Ski montiert, auf der längeren steht der Fahrer. Mit diesem Prinzip erreicht man, dass der Ski sich auf einer längeren Strecke frei biegen kann und nicht durch die Bindung und Schuhsohle versteift wird. Ausserdem ändert sich der Abstand der Bindungsteile zueinander nicht ständig, was sich auf die Sicherheit auswirkt. Ein Teil der Sohlenfläche ist herausgefräst und nur über die insgesamt 8 Messstellen pro Messplatte mit dem Rest verbunden. Dieser herausgefräste Teil ragt etwas auf der Unterseite der Messplatte hervor und wird mit 4 Schrauben auf den jeweiligen Ski geschraubt. Auf den Rest der Messplatten wird der Bindungskopf und der Fersenautomat mit wiederum jeweils 4 Schrauben montiert. Dieser Rest ist also fest mit dem Schuh des Fahrers verbunden und beweglich. Über die insgesamt 8 Kanäle pro Messplatte werden so die Kräfte des Fahrers gemessen. Das Messprinzip ist hierbei die Widerstandsänderung von Dehnmessstreifen (DMS), die in den Messstellen eingebaut sind. Dabei kann die Platte sowohl Vertikal- wie auch Horizontalkräfte registrieren. Ein Messverstärker und ein Mikroprozessor sind in der Platte integriert. Die Messsignale (binär 12 Bit) werden mittels eines Kabels, das seitlich aus den Messplatten ragt, in den Datalogger übermittelt. Dieser Datalogger muss der Fahrer in einer Nierentasche um die Hüften tragen. Um bei einer Abtastfrequenz von 500 Hz nicht eine unübersichtliche Datenflut zu erhalten, trägt der Fahrer ausserdem einen mit dem Datalogger verbundenen Tastschalter am Handgelenk, mit dem er die Messung starten und stoppen kann. Die Kabel aus den Messplatten werden mit Riemen an den Beinen des Fahrers befestigt. Die Stromversorgung erfolgt aus drei 9-Volt Blockbatterien, die im Datalogger integriert sind.

Zu den Messplatten gehört auch ein Laptopcomputer, in den die Daten nach einer gewissen Zeit via Schnittstelle (RS232) eingelesen werden. Die Programme sind Eigenentwicklungen des Verantwortlichen von MARKER (Zum Calibrieren ein Fa. CAETEL Terminalprogramm mit Hex-Funktion, zum Konvertieren der Daten ein MM Konvertierungsprogram (VB und Perl)). (M. Marohn, Marker Deutschland GmbH)

Der Abstand zwischen Schuhmittemarkierung auf dem Ski und der Messplatte und dem Skiende beträgt beim Racecarver 735 mm und beim Funcarver 635 mm. Die vordere Standlinie der Messplatten ist 128.75 mm von der Mittemarkierung entfernt. Die Standlänge der Messplatte, also die kurze Seite des Trapezes, beträgt 255 mm. Die Messpunkte sind jeweils 95 mm von der Schuhmittemarkierung entfernt, somit beträgt der Abstand der Messpunkte längs zum Ski 190 mm, quer zum Ski beträgt er 32.5 mm. Die Messplatten haben eine Höhe von 20 mm.

Somit beträgt die Standhöhe des Fahrers 55 mm, 50 mm tiefer als der Testfahrer normalerweise auf seinem Ski steht.

Abb. 3.4: Plan der Messplatte von der Firma Marker Deutschland (Sorry, diese Abbildung war leider nicht formatierbar !)

Um die exakte Geschwindigkeit der Testfahrt zu eruieren, benützen wir eine Laserpistole der Firma Laser Technology USA. Beim LTI 20.20 wird mittels Laserpunkt im Okkular das zu messende Objekt fixiert, Infrarotimpulse werden ausgesendet und wieder empfangen, und mit der Zeitdifferenz dt die Geschwindigkeit bestimmt.

Piste:

Die Messfahrten fanden im Berner Oberland in der Jungfrauregion auf der Salzeggpiste statt. Die Hangneigung betrug 32.6°. Die Piste war frisch mit dem Pistenfahrzeug präpariert, der Schnee sehr griffig. Die Piste ist Richtung NE exponiert. Während der Messungen gab es keine Sonneneinstrahlung, so war die Pistenbeschaffenheit während des Tages relativ konstant.

Fahrer:

Als Testfahrer stellten sich zwei Skilehrer aus Wengen zur Verfügung. Sie sind beide Rennfahrer und sehr erfahrene Carvinglehrer und arbeiten die ganze Saison auf diesen Pisten, waren also gut eingefahren.

Dokumentation:

Zur Dokumentation wurden 2 digitale (DCR-PC100E) und eine Hi8 Videokamera (SONY CR 100) benutzt, zudem ein digitaler und ein 35mm Fotoapparat (Sony Cybershot 2.1 Megapixels und Leica Minilux).

Markierung:

Zur Absicherung der Teststrecke wurden Kippstangen, die in X-Form oberhalb der Strecke in den Schnee gebohrt wurden, benutzt. Der Startpunkt, Scheitelpunkt und Endpunkt der zu messenden Kurve wurde ebenfalls mit Kippstangen, zusätzlich jedoch noch mit Farbe markiert. Für die Kommunikation standen zwei Funkgeräte (Motorola HT 800 VHF, Motorola GmbH, Deutschland) zur Verfügung, ausserdem vier Mobiltelephone, die guten Empfang hatten, und der Notruf der SOS Stationen war bekannt.

Um die relativen Bewegungen des Kniegelenks zu messen, benötigt man genau definierte Referenzpunkte, die während der Bewegung fixiert bleiben müssen. Diese Fixpunkte geben die sogenannten Kirschnerdrähte. Sie haben einen Durchmesser von 2 mm und sind 8 cm lang. Sie sind aus Stahl und haben an einem Ende ein Gewinde, mit dem man die Kirschnerdrähte in den Knochen bohren kann. Das in den Knochen gebohrte Ende ist präzise zugespitzt. Die Drähte werden vor dem Setzen autoklaviert, um Infektionen vorzubeugen.

Zu den Kirschnerdrähten gehört ein T-Handgriff, mit dem die Drähte festgehalten und in den Knochen geschraubt werden können.

Mit dem FASTRAK-System misst man die relativen Bewegungen der Referenzpunkte oder die Bewegungen rechnerischer Punkte im Gelenk. So kann man, nachdem man die durch die gesetzten Kirschnerdrähte gegebenen Punkte mit einem Röntgenbild kontrollieren. Anschliessend können rechnerisch z.B. die Insertionsstellen des vorderen Kreuzbandes (Lig. Cruciatum anterius) als Referenzpunkte für die Bewegungen des Femur gegenüber der Tibia bestimmt werden. Zum System gehören Sensoren, die auf die, aus dem Knochen ragenden, Enden der Kirschnerdrähte aufgesetzt werden, und die entsprechenden Messverstärker, Kabel und Software.

Am Mittwoch, den 12. Januar 2000, trafen sich PD Dr. N. Friederich, Herr S. Freudiger, die Herren W. Messerschmitt, M. Marohn und H. Schuhbauer vom Labor der Firma MARKER, U. Kessler und A. Dössegger im Hotel Alpenruhe in Wengen zur Tagesbesprechung. Das gesamte Material wurde geprüft und komplettiert, der Vorgang nochmals besprochen.

Am Donnerstag, den 13. 1. 2000 fuhr man zum Testort. Im Restaurant Eigergletscher wurde die Basis eingerichtet, der Laptop installiert und die Uhren aufeinander abgestimmt.

Der erste Fahrer, T. Rüegsegger, wurde verkabelt. Er stieg in die Bindung, und der Datalogger wurde ihm im Bauchgurt um die Hüfte geschnallt. Die Kabel des Dataloggers wurden mit den Messplatten verbunden. Um die Kabel an den Beinen zu fixieren, wurden Riemen mit Klettverschlüssen verwendet. Die Kabel mussten etwas Spielraum haben, damit bei den Bewegungen die Stecker nicht ausrissen. Beim Einfahren riss der Stecker an einem Bein trotzdem aus, so dass die Verbindung mit Klebeband zusätzlich gesichert wurde. Ebenfalls aus der Nierentasche bzw. dem Datalogger reichte das Kabel mit dem Tastschalter, mit dem der Fahrer die Messung starten und stoppen konnte. Dieser Schalter wurde unter der Jacke durch den rechten Ärmel zum Handgelenk geführt, wo er ebenfalls mit Klettriemen festgemacht wurde. Der Fahrer musste sehr vorsichtig sein, um nicht versehentlich das Messsystems zu starten, da der Datalogger nur eine begrenzte Anzahl Daten speichern kann.

Die Kalibrierung erfolgte in voller Ausrüstung, dabei stand der Fahrer in der Bindung, das Gewicht hatte er gleichmässig auf beide Beine verteilt. Der Datalogger war zu diesem Zweck mit dem Laptop mit dem Kalibrierungsprogramm (CAETEL) verbunden. Die Messplatten wurden so eingestellt, dass der Fahrer im ruhigen Stand 0 Newton auf die Messplatten brachte.

Die Piste wurde zuerst oberhalb der Teststrecke mittels Slalomstangen abgesperrt, während die Fahrer sich einfuhren. T. Rüegsegger fuhr mit den Testskis und den Messplatten sechs maximal gecarvte Schwünge. Der dritte Schwung, ein Rechtsschwung, wurde als Messschwung ausgewählt. Die Spuren waren deutlich zu erkennen. Der Schwunganfang, bei dem sich der Fahrer in Schrägfahrt zum Hang befand und die Spuren das Umkanten zu erkennen gaben, und das Schwungende, gleichzeitig der Schwunganfang des vierten Schwunges, wurden ausserhalb der Spuren je mit einer Slalomstange und mit Farbe im Schnee markiert. Der Scheitelpunkt der Kurve wurde ebenfalls mit einer Stange markiert. Die Distanz in der Falllinie zwischen Schwunganfang und Schwungende betrug 21.0 m. Um den gefahrenen Weg zu messen, wurde der Schwung in zwei Hälften geteilt. Der Grund dafür ist, dass sich der gefahrene Bogen im Teil der Phase der aktiven Steuerung gegen Ende etwas schliesst. Die Spuren gecarvter Schwünge sind somit keine aneinandergehängte Halbkreise. Von dieser Mittelmarkierung, die ebenfalls mit Farbe im Schnee markiert wurde, massen wir die Distanz zum Schwunganfang und –ende. Von diesen wurde wiederum die Mitte genommen und von da aus die Distanz der Senkrechten bis zu den Skispuren gemessen. Mit Hilfe der Formel r = h/2 + L²/8*h konnte der gefahrene Weg berechnet werden. Er betrug 31,02 m, wobei die Spur des inneren Skis einen kürzeren, die Spur des äusseren Skis den etwas längeren Weg aufwies. Aus Gründen der Einfachheit wählten wir für die späteren Berechnungen der Geschwindigkeiten aber diese Mitte der zwei Spuren aus.

Die Videokameras wurden folgendermassen installiert: Die wichtigste Kamera stellten wir in der gedachten Verlängerung in Fallinie der Slalomstangen, welche Anfang und Schluss der Kurve markierten, auf. Mit ihrer Hilfe konnte später die genaue Zeit abgelesen werden, die der Fahrer für die jeweilige Testkurve benötigte.

Die zweite Kamera befand sich etwa 50 m vom Kurvenzentrum entfernt, auf der von oben gesehen rechten, kurveninneren Seite. Mit ihr wurden die Fahrten im 90° Winkel zur ersten Kamera festgehalten. Die dritte, analoge Kamera, filmte die Testfahrten im 45° Winkel zur ersten Kamera. Sie war etwa 15 m vom Kurvenzentrum entfernt. Die drei Kameras vermittelten einen guten Eindruck von der jeweiligen Kurvenschräglage des Testfahrers, der Besonderheiten der Fahrt sowie des effektiv gefahrenen Weges.

Nach jeder Fahrt wurden die Spuren herausgerutscht, so dass möglichst keine Schläge entstehen konnten, welche die Messungen hätten beeinträchtigen können. Kurz vor dem Start einer Messfahrt betätigte der Fahrer den Tastschalter an seinem Handgelenk, um die Messung zu starten. Auf diese Weise war die ganze Fahrt, d.h. je nach Fahrt 20 bis 30 Sekunden, im Datalogger gespeichert. Anfang und Ende der dritten Kurve, die markiert war und die es auszuwerten galt, konnten so später problemlos ermittelt werden. Die Messung erst kurz vor der dritten Kurve zu starten wäre erstens für den Fahrer schwierig gewesen, da er die Arme zur Gleichgewichtserhaltung weit auseinander hatte, zweitens werden die ersten zwei Sekunden jeder Messung nicht aufgezeichnet, da sich das ganze System zuerst einschalten muss. Nach dem Anhalten betätigte der Fahrer den Schalter erneut, um die Messung zu stoppen.

Es folgten nun sieben Fahrten auf dem Funcarver, wobei versucht wurde, genau demselben Radius zu folgen, der zu Beginn festgelegt und markiert worden war. Vier der sieben Fahrten mit dem Funcarver wurden mit möglichst geschlossener Beinstellung absolviert, d.h., der Abstand der beiden Skier betrug weniger als 30 cm. Die restlichen drei Fahrten erfolgten mit einer sehr weiten Beinstellung (Abstand ca. 60 –80 cm).

Da die Zeit recht weit fortgeschritten war, wurde entschieden, die Messungen mit nur einem Fahrer durchzuführen. Das Ummontieren der Messplatten und der Bindung hätte zu viel Zeit in Anspruch genommen, da die Platten jedesmal hätten frisch geeicht werden müssen. Also folgten, nach einer Pause im Restaurant, bei welcher die Messplatten auf den Racecarver montiert und frisch geeicht worden war, weitere vier Fahrten, diesmal auf dem Racecarver. Auch jetzt versuchte der Fahrer, den vorgegebenen Kurvenradius zu halten.

Das zur Geschwindigkeitsmessung verwendete Gerät sollte die Geschwindigkeit der Fahrer zu Beginn der Kurve messen. Trotz einigen Übens im Vorfeld der Messungen gelang es nicht, den Fahrer lange genug mit dem Laserpunkt zu fixieren, um die Messung durchzuführen. Der Fahrer bewegte sich zu kurze Zeit genau auf den Messenden zu, und die Messung wäre nur valabel, wenn das Gerät in dieser Zeit eine Messung hätte machen können. Stattdessen zeigte es immer E7 – "Error, zu kurze Messdauer/ Ziel zu bewegt" – an.

Nach sieben Fahrten wurde das Gerät weggelassen und es wurde entschieden, die Geschwindigkeit anhand des gemessenen Radius und der auf dem Video der ersten Kamera ersichtlichen Zeit zu berechnen.

Auf dem Video der ersten Kamera ist die Zeitdauer des Fahrers in der Kurve dank Zeitcodierung genau ersichtlich. Als Referenzpunkt dienen die zwei Slalomstangen, die auf dem Video in einer Flucht erkenntlich sind, sowie der Bindungskopf des rechten Skis. Anhand der Zeit und des Weges konnte so die Geschwindigkeit, die Zentrifugalbeschleunigung und die theoretische Neigung des Fahrers zum Boden berechnet werden.

Die binären Daten, die in den Laptop gespeichert waren, wurden von MARKER mit dem entsprechenden Programm im Newton konvertiert. MARKER lieferte uns die Kräfte in Newton in EXCEL-Format im Zeitverlauf (500 Hz) für folgende Messtellen:

Tab. 3.2: Messstellen auf den Messplatten

Die Summe aller ermittelten Vertikalkräfte eines Skis ergibt die Gesamtkraft eines Skis.

Die Summe der vorderen und hinteren Vertikalkräfte eines Skis ergibt die Kraftverteilung auf die Fussspitze bzw. die Ferse eines Beines.

Die Daten der Horizontalkräfte wurden nicht ausgewertet. Die in Tabellenform (EXCEL) gelieferten Daten wurden mit Excel (Microsoft Excel) in Diagrammform dargestellt.

Zudem wurde die Zentrifugalbeschleunigung a und die Kurvenneigung des Fahrers errechnet:

Ob der Fahrer sich in einer echten Vorlage oder Rücklage befand, wurde folgendermassen berechnet:

Der Versuch, die Kirschnerdrähte in das Femur zu setzen, scheiterte leider ebenfalls. In der Tibia wurde eine Stelle gefunden (lateral, Insertion des tractus iliotibialis), an welcher der Draht Halt findet und sich bei Bewegung nicht verbiegt. Am Femur gestaltete sich die Suche schwieriger, denn einerseits sollte sich der Draht möglichst wenig bewegen, (möglichst nur um seine Längsachse), andererseits darf die Gelenkkapsel nicht getroffen werden, da die Kniegelenkkapsel dann eröffnet und infektionsanfällig geworden wäre. Bei allen Versuchen verbog sich der Draht aufgrund der starken Spannung und Bewegung des Tractus iliotibialis, der Aktivität des M. vastus lateralis und aufgrund der Tatsache, dass sich diese und andere Strukturen bei einer Flektion im Kniegelenk von ventral nach dorsal über den lateralen Kondylus bewegen. Bisher gelang es noch nie, eine solche Messung in vivo durchzuführen.