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The Kinetic Friction on Snow and Ice

  • Daisuke Kuroiwa (a1)

Abstract

This paper presents many experimental data of friction between a slider and snow or ice in relation to ski-ing and skating. Measurements of the kinetic coefficient of friction μ k for a metallic or plastic-resin ring in contact with a snow surface were made using an oscillograph. The mechanism of this friction was analysed through oscillograms showing frictional resistance between a slider and a snow surface together with observations of the real contact area between the surface of the slider and snow grains. It was shown that friction at low sliding speeds caused plastic deformation within snow, but, when sliding velocity was increased, a stick-slip friction occurred accompanying fractures and abrasions of snow grains. Since the laboratory experiment of friction on snow is limited to a range of low sliding speeds, the measurements of μ k for high sliding velocities were made by the use of practical skis. The value of μ K for practical skis increased from 0.03 to 0.1 as the speed increased from for velocities 5 to 22 m/s.

The measurements μ k for skates were made using a specially designed device on skating rinks prepared both on natural lake ice and artificial ice. The temperature dependence of μ k was studied for the blades of skates; μ k showed a minimum value for both rinks around —1 to — °C, namely, 0.003 for the natural lake ice and 0.007 8 for the artificial rink ice.

Résumé

La friction cinétique de la neige et de la glace. Get article présente de nombreux résultats expérimentaux sur la friction entre un modéle glissant et la neige ou la glace en relation avec le ski et le patin. Des mesures du coefficient cinétique de friction μ k pour un anneau métallique ou plastique en contact avec la surface de la neige ont été réalisées à l’aide d’un oscillographe. Le mécanisme de cette friction a été analysé à travers des oscillogrammes montrant la résistance due au frottement entre un glisseur et une surface de neige ainsi que des observations d’une zone réelle de contact entre les surfaces du glisseur et les grains de neige. On a montré que le frottement à de faibles vitesses de glissement provoque des déformations plastiques dans la neige, mais que, lorsque la vitesse de glissement augmente un frottement avec rupture d’adhésion intervient avec des cassures et l’abrasion des grains de neige. Comme les expériences de frottement sur neige en laboratoire sont limitées aux basses vitesses de glissement, les mesures de μ k pour des grandes vitesses de glissement furent faites en utilisant des skis réels. La valeur de μ k pour des skis in situ augmentait de 0,03 à 0,1 lorsque la vitesse augmentait de 5 à 22 m/s.

Le mesure de μ k pour les patins furent faites avec un appareil spécialement conçu à cet effet sur une patinoire préparée sur un lac naturel el sur de la glace artificielle. L’influence de la température sur μ k a été étudiée pour les lames de patins: μ k a pris des valeurs minimum dans les deux cas pour de la glace autour de —1° et —2°, exactement 0,003 pour la glace naturelle de lac el 0,0078 pour la patinoire artificielle.

Zusammenfassung

Die kinetische Reibung auf Schnee und Eis. Dieser Bericht enthält viele Daten von Versuchen zur Reibung zwischen einem Gleitgerät und Schnee oder Eis im Hinblick auf Ski- und Eislauf. Der Koeffizient der kinetischen Reibung μ k für einen Metall- oder Plastikring auf einer Schneefläche wurde mit Hilfe eines Oszillographen gemessen. Der Reibungsmechanismus wurde mit Oszillogrammen der Reibuugswiderstandes zwischen einem Gleitgerät und Schnee sowie aus Beobachtungen einer wirklichen Kontaktzone zwischen den Oberflächen des Gleitgerätcs und den Schneekörnern analysiert. Es zeigte sich, dass Reibung bei kleinen Gleitgeschwindigkeiten zu plastischen Verformungen im Schnee führt, dass aber bei grösserer Gleitgeschwindigkeit eine Haft- und Gleitreibung eintritt, mit der Risse und Abbruche der Schneekörner verbunden sind. Da Reibungsversuche im Labor auf kleine Gleitgesehwindigkeiten beschränkt sind, wurden die Messungen von μ k bei hohen Gleitgeschwindigkeiten an wirklichen Skiern vorgenommen. Dabei wuchs μ k von 0,03 auf 0,1 bei einer Steigerung der Geschwindigkeit von 5 auf 22 m/s.

Die Messung von μ k für Schlittschuhe wurden mit einem eigens konstruierten Gerät auf Eisbahnen sowohl auf natürlichem See-Eis wie auf Kunsteis vorgenommen. Für die Schlittschuhkufen wurde die Temperaturabhängigkeit von μ k untersucht, wobei sich minimales μ k auf beiden Eisarten bei etwa — 1 bis —2°C ergab, nämlich 0,003 auf natürlichem See-Eis und 0,007 8 auf der Kunsteisbahn.

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