Усиливающие материалы для лыж и сноубордов

О том, каким образом достигается жёсткость горных лыж мы попросили рассказать мастера по производству горных лыж на заказ Владимира Полякова. Далее, он делится знаниями и опытом.

При проектировании современных горных лыж большая доля внимания уделяется изучению влияния свойств армирующих материалов на поведение лыж, чтобы лыжа во время поворота резала чёткую дугу.

Для этого кант лыжи в закантованном состоянии должен принять форму дуги окружности. Если математически рассчитать необходимую форму бокового выреза и прогиба, изготовить получившуюся лыжу, то на практике вмешивается ещё одна составляющая — скручивание. Из-за него нарушается геометрия, кант уже не может принять рассчитанную форму, а значит идёт срыв дуги и потеря скорости. Также из-за скручивания уменьшается угол закантовки носков и пяток, что опять же способствует срыву дуги.

Чтобы уменьшить влияние скручивающего момента, нужно максимально повысить торсионную жёсткость, применяя различные армирующие материалы. Эти материалы используются для увеличения жёсткости и прочности лыжи.

Есть два типа таких материалов:

Отличие заключается в том, что ткани работают только вдоль волокон, тогда как жёсткость алюминия одинакова во всех направлениях. Реже встречаются и другие материалы: графен, сталь, базальт и даже камень.

Так, например, графен имеет модуль упругости 1 ТПа, но в виду его неэкологичности (вдыхание графеновой пыли может вызвать серьёзные лёгочные заболевания), и высокой стоимости он применяется довольно редко.

А в конструкции швейцарских лыж Zai используется камень, но из-за сложности производства данная технология не получила большого распространения.

Рассмотрим какой результат даёт применение тех или иных материалов.

Для требуемого распределения жёсткости используют ткани с различным расположением волокон:

Состав слоёв может быть как из одного материала, так и из разных. Продольное расположение волокон ткани задаёт продольную жёсткость, а так же повышает прочность лыжи на излом. Например, если взять цельнодеревянную и такую же по жёсткости армированную лыжу, то при воздействии определённого усилия первая сломается раньше, в то время как вторая сможет выдержать большую нагрузку. Такой тип усиления сейчас используется во всех лыжах без исключения.

Диагональное расположение волокон позволяет добиться усиления торсионной жёсткости, почти не затрагивая продольную. Волокна биаксиальной ткани располагаются вдоль линий касательных напряжений, которые при скручивании проходят приблизительно под углом 45°.

Например, в качестве эксперимента, используя только биаксиальный карбон, без применения продольных волокон, мы изготовили очень мягкую лыжу, которую почти невозможно скрутить.

Поперечное расположение волокон применяется только в сноубордах.

Применение алюминия позволяет добиться усиления жёсткости по всем направлениям сразу. Соответственно одинаковые по жёсткости и геометрии лыжи из композитных материалов и из алюминия будут давать разные ощущения во время спуска из-за разного распределения вибраций по лыже.

Пластик на поверхностях лыжи кроме декоративных функций несёт также и усиливающий момент. Эксперименты показали, что лыжу без топшита достаточно легко сломать. Это объясняется тем, что эпоксидные смолы прочные, но достаточно хрупкие, как стекло. При определённых усилиях волокна тканей могут проломить эпоксидное связующее, что может вызвать расслоение с сердечником или перелом лыжи. Более мягкий пластик в верхнем слое даёт амортизацию для волокон и распределяет нагрузку в местах напряжений.

Сердечник обычно изготавливают из древесины, полимеров и арамидных сот. Со стороны армирующих слоёв на сердечник идёт сдавливающие усилие. Поэтому какими бы не были прочными и жёсткими армирующие слои, если сердечник не может выдержать их сдавливание, результат будет неоправданным. Комбинируя твёрдые породы древесины с лёгкими и мягкими можно добиться хорошей жёсткости при небольшом весе. Также древесина сама по себе даёт небольшой прирост продольной жёсткости. Однако из-за неравномерной структуры волокон дерева бывают расхождения по жёсткости даже в пределах одной пары. Применение вспененных полимеров даёт более предсказуемый результат, но, по сравнению с древесиной, полимеры не гасят вибрации. Арамидные соты очень лёгкие, работают только на сжатие, и применяются когда необходимо максимально уменьшить вес.

Обобщая, можно выделить четыре основных фактора, влияющие на жёсткость лыж:

Комбинируя эти параметры, достигается требуемое распределение жёсткости по длине, что в соответствии с расчётами гарантирует идеальную траекторию поворота без проскальзывания и срывов.