Đạt được lợi thế: Thiết kế và phát triển một thiết bị được trang bị để tạo ra các phép đo cạnh trượt tuyết 3D bằng Kính hiển vi quét laser LEXT™ OLS5100 Olympus

Tóm tắt

Trong bất kỳ môn thể thao nào, việc tinh chỉnh thiết bị có thể đóng một vai trò quan trọng trong kết quả thi đấu. Trong thế giới trượt tuyết và trượt tuyết, độ sắc nét của ván trượt hoặc ván trượt có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất. Ở mức độ cạnh tranh cao nhất, độ chính xác của mài cạnh thậm chí còn trở nên quan trọng hơn khi sự khác biệt giữa thời gian hoàn thành ngày càng nhỏ hơn và mọi biến số ngày càng được phóng đại. Để tạo ra một cấp độ mài mới độ chính xác và đo khả năng chống cạnh trượt tuyết với nhiều bề mặt và điều kiện khác nhau, Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Thể thao của Viện Bách khoa Worcester đã thiết kế và tạo mẫu một thiết bị có khả năng chụp ảnh và đo lường cạnh trượt tuyết 3D cực kỳ chính xác.

Mục tiêu của thiết bị này là đo độ sắc nét của các cạnh trượt tuyết và ván trượt tuyết theo hai cách cơ bản: chức năng và hình học, nâng cao sự hiểu biết về cách hình học của cạnh liên quan đến hiệu suất của nó. Những biện pháp này sau đó có thể được sử dụng để đánh giá các cạnh và phương pháp chuẩn bị, làm cho chúng đặc biệt quan trọng đối với cạnh tranh cũng như sản xuất trượt tuyết và bảo trì trượt tuyết nói chung.

Phương pháp luận

Các phương pháp hiện tại để đánh giá độ sắc nét của các cạnh trượt tuyết là định tính và chủ quan, dựa vào cảm giác chiến thuật. Với thiết bị mới này, độ sắc nét được xác định trong phòng thí nghiệm bằng cách áp dụng tải trọng được xác định trước cho vật liệu như băng hoặc vật liệu mô phỏng tuyết, được định hướng ở góc cố định với cạnh, sau đó đo tải trọng cần thiết để gây ra chuyển động vuông góc và song song với cạnh (Hình 1). Hình học được đo và độ cong được tính theo hàm của tỷ lệ và vị trí trên cạnh. Tương quan được xác định bằng các phân tích hồi quy tuyến tính của hiệu suất so với độ cong như một hàm của tỷ lệ. Các cạnh trượt tuyết được đo bằng kính hiển vi đồng tiêu quét laser (OLYMPUS LEXT OLS4100). Độ cong được tính bằng phương pháp Heron (Gleason at al. 2013)¹.

Nguyên tắc cơ bản của các phép đo hiệu suất

Được tạo ra để cung cấp cho các nhà sản xuất thiết bị, cơ sở trượt tuyết, vận động viên và huấn luyện viên phương tiện để đo các cạnh trượt tuyết và ván trượt tuyết với độ chính xác mới, thiết bị đo cạnh trượt tuyết được phát triển bởi Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Thể thao WPI cho phép người dùng đo khả năng chống trượt vuông góc với cạnh cũng như trượt dọc theo cạnh. Thông qua việc sử dụng OLS4100 LEXT, thiết bị này có thể được sử dụng để tạo ra các phép đo cạnh trượt tuyết địa hình 3D cụ thể là đo trực tiếp và đặc tính của độ cong cạnh.

Hình 1: Nguyên tắc cơ bản của các phép đo hiệu suất thiết bị.

Tỷ lệ tiếp tuyến với lực lượng bình thường T / N Đo độ sắc nét Tương tự với hệ số ma sát (μ = T / N) Cũng có thể được áp dụng tiếp tuyến với cạnh để đo ảnh hưởng của độ sắc nét cạnh đến khả năng chống trượt của ván trượt có cạnh

Tầm quan trọng của độ nhám cạnh thích hợp

Độ sắc nét của cạnh trượt tuyết hoặc ván trượt tuyết đóng một vai trò quan trọng trong hiệu suất của nó. Nếu một cạnh quá xỉn màu, nó có thể gây ra các vấn đề kiểm soát trong cả đua xe và trượt tuyết giải trí. Nếu có điều kiện bề mặt cứng băng giá, đôi khi xảy ra ở các vùng của Đông Bắc Hoa Kỳ, các vấn đề kiểm soát thậm chí còn được phóng đại hơn nữa bởi các cạnh xỉn màu. Trong thế giới đua xe cạnh tranh, các cạnh được mài sắc hơn nữa để cung cấp khả năng cắt ở tốc độ cao với ván trượt được đặt ở góc nhọn. Của Xem xét thêm là thực tế là các cạnh có độ sắc nét cao có thể gây thương tích và cần được xử lý cẩn thận và cân nhắc thích hợp cả khi sử dụng và trong khi xử lý.

Trượt tuyết liên quan đến gia công

Hình 2: Có thể trượt tuyết, nhờ các cạnh trượt tuyết được mài sắc cao

Khi xem xét độ nhám cạnh trượt tuyết và mối quan hệ của nó với hiệu suất trượt tuyết, lực tuyết trượt tuyết có thể được so sánh với gia công. Trượt (cắt tuyết bằng ván trượt ở góc cực cao [Hình 2]) tương tự như cắt, với chính ván trượt đại diện cho công cụ và tuyết đại diện cho công việc. Lực quay trên ván trượt bằng lực cắt trên dụng cụ và góc cạnh của ván trượt (hơn 90 ° khi trượt) tương đương với góc cào của dụng cụ. Các Độ sắc nét của ván trượt, tương tự như độ sắc nét của một công cụ, là yếu tố hạn chế xác định góc cạnh (cào) mà ván trượt có thể chịu được trong khi trượt / khắc (cắt) qua tuyết.

Độ cong cạnh trượt tuyết

Trong quá trình phát triển thiết bị đo và chụp ảnh cạnh trượt tuyết mới của họ, các chuyên gia đo lường tại Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Thể thao WPI, do Tiến sĩ Christopher Brown dẫn đầu, đã tạo ra một cách nhìn mới về độ cong cạnh trượt tuyết, cung cấp một phương tiện cực kỳ chính xác để xem và phân tích độ nhám cạnh trượt tuyết. Bằng cách kết hợp một cụm vật lý (Hình 3) được thiết kế để cung cấp tầm nhìn cạnh trượt tuyết tối ưu với hệ thống kính hiển vi đồng tiêu quét laser (Olympus LEXT OLS4100 [Hình 4]), Tiến sĩ Brown và nhóm của ông đã đi tiên phong trong một cách mới để đo độ sắc nét cạnh trượt tuyết bằng cách mô tả chính xác độ cong cạnh trượt tuyết.

Hình 3: Nguyên mẫu lắp ráp tại các phòng thí nghiệm sản xuất WPI. Kiểm tra cấu hình độ sắc nét cạnh điện trở vuông góc với cạnh trượt tuyết. Khung tải có thể được xoay để kiểm tra sức đề kháng song song với cạnh trượt tuyết.

Hình 4: OLYMPUS LEXT OLS4100 kính hiển vi đồng tiêu quét laser.

Độ nhám: Hình ảnh &; Phân tích

Hệ thống đo cạnh trượt tuyết mới này cung cấp cho người dùng các phương tiện để tạo và phân tích hình ảnh địa hình 3D của độ cong cạnh trượt tuyết. Để giới thiệu hiệu quả của hệ thống này, Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Thể thao WPI đã tạo và phân tích các hình ảnh sau đây về các cạnh trượt tuyết được tạo ra bằng nhiều kỹ thuật mài khác nhau. Thuật ngữ dựa trên một cạnh trượt tuyết tiêu chuẩn (Hình 5).

Hình 5: Sơ đồ này thể hiện bố cục và thuật ngữ cơ bản liên quan đến cạnh trượt tuyết tiêu chuẩn

Hình 6: Hồ sơ của cạnh trượt tuyết không có sửa đổi.

Cùng một cạnh ván trượt sau khi mài bằng giũa. Việc mài được thực hiện theo cách xen kẽ (chuyển đổi giữa cạnh đế và cạnh bên) để có thể so sánh độ nhám bề mặt giữa các dụng cụ mài khác nhau.

Cùng một cạnh ván trượt sau khi mài thêm bằng đá kim cương thô. Có thể thấy rằng sau khi mài, mũi khoan ở đầu cạnh đã thay đổi hướng, do phương pháp mài xen kẽ được sử dụng khi mài ván trượt.

Những người trượt tuyết chuyên nghiệp thường không mài ván trượt của họ theo cách luân phiên như đã thấy trước đây. Thay vào đó, họ mài hoàn toàn cạnh đế và sau đó mài hoàn toàn cạnh bên. Điều này hướng mũi khoan theo hướng song song với cạnh ván trượt thay vì song song với cạnh đế. Hình ảnh trên mô tả một cạnh ván trượt đã được mài chỉ bằng một cái giũa sử dụng phương pháp tiêu chuẩn—có những điểm không nhất quán rõ ràng trên bề mặt cạnh ván trượt cũng như một mũi khoan lởm chởm trực tiếp trên cạnh.

Lưỡi trượt tuyết trước đây được nhìn thấy sau khi mài theo phương pháp tiêu chuẩn bổ sung bằng đá gốm. Quá trình bổ sung này làm cho bề mặt mịn hơn nhiều và cũng tạo ra một gờ ít răng cưa hơn.

Kết luận

Dựa trên những hình ảnh địa hình 3D này, Tiến sĩ Brown và nhóm của ông đã có thể củng cố các kết luận sau đây liên quan đến các kỹ thuật mài cạnh trượt tuyết được nêu bật ở đây:

• Phương pháp mài (xen kẽ so với tiêu chuẩn) sẽ xác định hướng của bur ở đầu mép trượt tuyết.
• Cạnh này có thể có lợi cho người trượt tuyết bằng cách cung cấp lực kéo trên các lượt; Tuy nhiên, nó có thể bất lợi bằng cách tạo ra ma sát trên những con đường thẳng, do đó làm chậm người trượt tuyết.
• Một ván trượt tuyết được mài sắc chỉ với một tập tin sẽ mượt mà hơn một ván trượt không được mài sắc.
• Một ván trượt tuyết được mài bằng đá thậm chí còn mượt mà hơn ván trượt tuyết được mài bằng đá mài.
• Một hệ thống tiến triển của mài bắt đầu với một đá mài tiêu chuẩn và di chuyển xuống về phía một viên đá mài chuyên dụng sẽ làm giảm đáng kể độ nhám bề mặt của cạnh trượt tuyết và cung cấp một chuyến đi mượt mà hơn cho người trượt tuyết.

Tóm tắt

Mức độ hình ảnh độ cong và đo cạnh được cho phép bởi thiết bị mới này được thực hiện bằng cách thực hiện kính hiển vi đồng tiêu 3D hình học trực tiếp, cho phép tính toán độ cong so với vị trí và tỷ lệ, một phương pháp tính toán mới được sử dụng độc quyền bởi hệ thống đang chờ cấp bằng sáng chế này. Trong quá khứ, đặc tính độ cong đã có vấn đề, vì độ cong thay đổi theo quy mô và vị trí. Thông qua công việc của họ với hệ thống đo lường cạnh trượt tuyết mới này, Phòng thí nghiệm Kỹ thuật Thể thao WPI đang tiên phong trong đặc tính độ cong đa quy mô theo vị trí cụ thể. Hệ thống mới này đã được thiết kế và tạo mẫu để đo khả năng chống cạnh trượt đối với cả trượt vuông góc với mép và trượt dọc theo mép. Một bằng sáng chế tạm thời đã được nộp.

1Gleason, M. A., Kordell, S., Lemoine, A., Brown, C. A. (2013) Độ cong hồ sơ theo công thức Heron như một hàm của tỷ lệ và vị trí trên một cạnh được làm tròn bằng cách hoàn thiện khối lượng. Hội nghị quốc tế lần thứ 14 về đo lường và tính chất của bề mặt kỹ thuật, Đài Loan 17-21 tháng 6 năm 2013.