BACHELORARBEIT Technischer Stand des

BACHELORARBEIT
im Studiengang Sports Equipment Technology
Technischer Stand des Skilanglaufmaterials und
deren physikalischer Zusammenhang
Ausgeführt von: Tobias Reith
Personenkennzahl: 1210327040
Begutachter: Alexander Dienst
Wien, den 2. Dezember 2014
Eidesstattliche Erklärung
„Ich erkläre hiermit an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig angefertigt
habe. Die aus fremden Quellen direkt oder indirekt übernommenen Gedanken sind als solche
kenntlich gemacht. Die Arbeit wurde bisher weder in gleicher noch in ähnlicher Form einer
anderen Prüfungsbehörde vorgelegt und auch noch nicht veröffentlicht. Ich versichere, dass
die abgegebene Version jener im Uploadtool entspricht.”
Wien, 2. Dezember 2014
Kurzfassung
Der Leichtbau wird in vielen Branchen immer wichtiger. Es wird nicht nur in der Automobil- oder
der Flugzeugbranche versucht auf neue Materialien wie Faserverbundwerkstoffe umzusteigen
oder neue Konstruktionen, wie einem Wabenkern zu entwickeln. Dieser Trend besteht ebenfalls in der Sportgeräteindustrie und verstärkt beim Skilanglaufmaterial. Hierbei muss zwar kein
Kraftstoff gespart werden, jedoch wirkt sich jedes Gramm extra und jede unnötige Kraftaufwendung, auf wertvolle Sekunden aus, die am Ende des Rennens über Sieg oder Niederlage
entscheiden können. Der physikalische Hintergrund bestimmter Materialien und Formen wird
anhand fachspezifischer Literatur geklärt und daraus der Grund für die Anwendung gefolgert.
Bei den Langlaufskiern wird heutzutage auf einen Kern aus Wabenstruktur gesetzt, der von Faserverbundwerkstoffen umgeben ist. Dies ermöglicht optimale machanische Eigenschaften bei
dennoch leichtem Gewicht. Das Innenleben wird von einer Designfolie ummantelt und auf einen
Polyethylenbelag geklebt. Bei der Langlaufbindung steht die Form zur optimalen Kraftübertragung zum Ski und die Stabilität im Vordergrund. Der Langlaufschuh soll dem Läufer oder der
Läuferin weitere Stabilität und Kontrolle bieten, während er sich perfekt an den Fuß anpasst.
Beim Carbon-Langlaufstock, der durch den Anwendungsanstieg der Doppelstocktechnik immer
mehr an Bedeutung gewinnt, steht die Kraftübertragung im Vordergrund.
Schlagworte: Skilanglauf, Leichtbau, Faserverbundwerkstoffe in Sportgeräten, Physik des
Skilanglaufmaterials, Bindung, Schuh, Stock
Abstract
Lightweight construction is becoming more and more important in a number of industries. The
automotive and aeroplane construction are not the only industries trying to switch over to new
materials like composites or invent new structures like the honeycomb core. The same trend is
also present in the sports equipment industry and especially with cross-country skiing material.
You do not need to save fuel there, but every gram extra and every unnecessary application
of force can cost you valuable seconds which can decide a victory or a defeat at the end of a
race. The physical background of the different materials and shapes is explained by technical
literature and the reason for the implementation is inferred. Nowadays a honeycomb structure surrounded by composites is used in cross-country skis. This provides ideal mechanical
properties together with low weight. The interior is covered by a design layer and glued on a
polyethylene surface. At the binding of the cross-country skis the form for the best power transmission to the ski and the stability have priority. The cross-country skiing shoe should provide
the athlete with more control and stability while it perfectly adjusts around the foot. With the carbon fibre cross-country skiing poles which are becoming more and more important, the power
transmission is the priority.
Keywords:
cross-country skiing, lightweight construction, composites in sports equipment,
physics of cross-country skiing equipment, binding, shoe, pole
Danksagung
Ein besonderer Dank geht an dieser Stelle an meinen ehemaligen Langlauftrainer Josef Peindl,
durch den ich nicht nur die richtige Skilanglauftechnik gelernt habe, sondern ebenso viele Informationen zum Thema Skilanglauf im Allgemeinen. Ein weiterer Dank geht noch an meinen
Betreuer Alexander Dienst und meine Eltern, die mich während dem Studium in jeglicher Hinsicht unterstützt haben.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
3
1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2 Die Geschichte des Skilanglaufmaterials
5
3 Techniken beim Skilanglauf
7
3.1 Techniken beim klassischen Skilanglauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
3.2 Techniken beim Skating im Skilanglauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
4 Der Langlaufski
10
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
4.2 Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
4.2.1 Der Kern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
4.2.2 Die Ummantelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.2.3 Der Belag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4.3 Form des Langlaufskis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
4.3.1 Form eines Skating-Skis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
4.3.2 Form eines Klassik-Skis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
4.1 Arten
5 Die Langlaufbindung
21
5.1 Arten einer Langlaufbindung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
5.2 Das NNN-System
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
5.3 Das SNS-System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
6 Der Langlaufschuh
24
6.1 Allgemeines zum Langlaufschuh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
6.2 Die Materialien und Innovationen beim Klassikschuh . . . . . . . . . . . . . . . .
25
6.3 Die Materialien und Innovationen beim Skatingschuh . . . . . . . . . . . . . . . .
26
7 Der Langlaufstock
28
7.1 Allgemeines zum Langlaufstock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
7.2 Der Handgriff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
7.3 Der Schafft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
7.4 Der Teller und die Spitze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
8 Zusammenfassung
30
1
9 Blick in die Zukunft
32
Abbildungsverzeichnis
33
Literatur
34
2
1 Einleitung
Die Leistung im Sport setzt sich aus drei Komponenten zusammen, dem Sportler selbst, dem
Material und den äußeren Einflüssen. Je nach Sportart variiert dabei die Gewichtung der einzelnen Partitionen. Im Skilanglauf kann laut Abb. 1 die Beschleunigung nur durch drei Komponenten statt finden. Das ist die Schwerkraft (Hangabtriebskraft bergab), der Luftwiderstand
(von hinten, „treibend“) und der Bodenreaktionskraft, die sich aus der Beinabstoßkraft und der
Stockabstoßkraft zusammen setzt (Babiel, 2002).
Abbildung 1: Beschleunigungskomponenten beim Skilanglauf
(Quelle: Babiel (2002))
Lässt man nun die natürlichen Kräfte wie Wind und Steigung weg, stellt man fest, dass die
komplette aktive Beschleunigung über den Beinabstoß ,den Ski bzw. die Arme und dem Stockeinsatz funktioniert. Die Kraftübertragung zwischen dem Körper, dem Material und dem Schnee
ist demnach entscheidend, welche Geschwindigkeit der Läufer oder die Läuferin letztendlich
besitzt. Es gibt verschiedene Einflussfaktoren für die Eigenschaften des Langlaufskis, wie zum
Beispiel das Gewicht, die Torsionssteifigkeit (Widerstand gegen Verdrehung), der Flex (Widerstand gegen Biegung), das Schwungverhalten, der Belag oder die Spannung (Kraft pro Fläche).
Auch beim Langlaufschuh, der Bindung und dem Stock gibt es entscheidende Faktoren, um eine ideale Kraftübertragung zu bieten, wie dem Material oder der Form. Was ist jedoch der heutige Stand der Dinge und was versteckt sich hinter den heutigen Innovationen? Angefangen von
den Ursprüngen des Skilanglaufs wird in der folgenden Bachelorarbeit vor allem auf den heutigen Stand des Skilanglaufmaterials eingegangen, deren verwendetes Material, Form und neue
Innovationen aufgezeigt und der physikalische Einfluss dahinter erklärt. Ein Fokus liegt dabei
auf den Materialien die anteilsmäßig viel verbaut sind und somit auch einen physikalischen Ein-
3
fluss auf das Verhalten von Ski, Bindung, Schuh oder Stock haben. Eine weitere grundlegende
Frage der Arbeit beschäftigt sich mit dem Thema, welche Techniken und Materialen des Leichtbaus angewendet werden. Genauer soll dazu auf die Bauweise und die Werkstoffauswahl eingegangen werden, welche im Leichtbau die entscheidenden Komponenten einer Konstruktion
bilden. (Klein, 2013) Wie Babiel (2002) und Maier (2007) in ihren Recherchen darstellen, gibt es
allgemein nahezu keine Literatur zur physikalischen Wirkungsweise des Skilanglaufmaterials.
Derartige Tests sind sehr aufwendig um statistisch auswertbare Daten zu erhalten. Falls solche
Versuche dennoch durchgeführt wurden, werden diese meist geheim gehalten, um einen gewissen Wettbewerbsvorsprung zu wahren. Dies führt dazu, dass in der nachfolgenden Arbeit
Beispiele von modernem Rennmaterial genommen wurden und der physikalische Hintergrund
durch einschlägige, technische Fachliteratur geklärt wurde. Auf die detaillierte Ausführung der
verschiedenen Wachsarten und deren Wirkungsweise mit den verschiedenen Schneevariationen, sowie genauere Informationen über das Material von Hobbysportlern soll dabei verzichtet
werden, um so nicht den Rahmen der Arbeit zu sprengen. Ebenso wurde der komplette Bereich
Apparel, sowie Langlaufbrillen und Handschuhe weggelassen.
1.1 Motivation
Der Skilanglaufsport ist, seit ich zehn Jahre alt geworden bin, fester Bestandteil meines Lebens. Es ging relativ schnell, dass aus dem anfänglichen Hobby mehr Ehrgeiz wurde und ich
an ersten Wettkämpfen teilnahm. Zu meinen größten Erfolgen zählen die Teilnahmen bei der
Deutschen und Bayerischen Meisterschaft im Skilanglauf im Alter von 15 Jahren. Um das hohe
Niveau auf dieser Ebene zu halten, muss man jedoch entweder sehr viel investieren oder man
behält den Sport als Hobby bei und versucht sich anderweitig zu verwirklichen. Ich entschied
mich für Letzteres, merkte aber während meines „Sports Equipment Technology“-Studiums an
der FH Technikum Wien vermehrt, dass ich noch die Chance habe, meine Leidenschaft zum
Skilanglauf vielleicht dennoch beruflich weiter verfolgen zu können. Im Januar 2015 starte ich
mein Praktikum bei Atomic im Bereich Nordic und habe die Möglichkeit selbst meinen Teil zur
Welt des Skilanglaufs beizutragen. Ein Einblick in die verschiedenen Produktionsschritte und
die aktuellen Projekte wurde mir schon gegeben. Am meisten fasziniert mich dabei, wie der
Langlaufski immer leistungsfähiger und zugleich noch leichter wird. Wieso ist in den neusten
Ski von Fischer Sports bei der Spitze ein Loch und welche Materialien werden eigentlich im
Ski verbaut? Im Langlauf zählt allerdings nicht nur der Langlaufski, ebenso müssen auch die
Schuhe, die Bindung und die Stöcke passen, um die nötige Leistung erbringen zu können und
Erfolg zu haben. Genau mit diesen Dingen möchte ich mich befassen und dies ist der Grund,
warum ich diese Bachelorarbeit verfasst habe. Additiv sehe ich sie als gute Vorbereitung für
mein Praktikum bei Atomic, wo ich an Projekten wie den Analysen neuer Langlaufskibeläge
teilhaben werde und im Anschluss meine Bachelorarbeit II darüber verfasse.
4
2 Die Geschichte des Skilanglaufmaterials
Die ältesten Artefakte die auf eine Art des Skilanglaufs hindeuten sind Moorfunde und Felszeichnungen im Raum Norwegen und Russland und werden bis in eine Zeit um 4500 bis 3000
v. Chr., der Mittel- und Jungsteinzeit datiert. Einer dieser Entdeckungen war der „Ski von Hoting“ (Abb. 2), welcher in Schweden gefunden wurde und auf ein Alter von etwa 4500 Jahre
geschätzt wird. Dieser besteht aus Holz und weist die Maße 110 cm Länge, 10 cm Breite und
1 cm Dicke auf.
Abbildung 2: Der “Ski von Hoting“ (links) und ein Lappe auf ungleich langen Skiern mit Tellerstock und
Jagdgerät (rechts)
(Quelle: (Hottenrott & Urban, 2003))
Damals war es für die Bevölkerung essentiell sich in der eisigen, weißen Winterlandschaft
fortbewegen zu können, um Nahrung zu besorgen oder aber auch einfach zum Kirchengang,
zur Postübermittlung oder als Kriegsgerät. Mit dem heutigen Langlaufski hatten diese schneereifenartigen Geräte, Trittlinge und Holzflechtungen nicht allzu viel gemein. Eine der ersten
Anpassungen war eine Vergrößerung der Sohle bzw. der Trittfläche mit Hilfe aufgefüllter Säcke,
Reisigbündel, Geflechte, Holzplatten, etc.. Neben dem ältesten, je gefundenen Langlaufski,
dem „Ski von Hotingen“, könnte der „Ovreboskia “ mit einem Alter von 2500 Jahren als nächster
wichtiger Meilenstein in der Entwicklung zum heutigen Langlaufski gesehen werden. Zu dieser
Zeit gab es schon Innovationen wie eine Art Aufbiegung an Skispitze und Skiende, Verzierungen, Fußstanderhöhung, Backen für bessere Skiführung, Stemmloch, Kantenschutz, Kantleisten und Laufrillen. Gefunden wurden auch einige Felszeichnungen, auf denen die Läufer mit
zwei verschieden lange Ski unterwegs waren oder nur einen Stock als Fortbewegungsmittel
bergauf bzw. als Stabilisationsmittel bergab hatten.
Je nach Kultur, unterschiedliche Landschaften, Klima, Schneeverhältnisse und Bedürfnisse,
bildeten sich verschiedene Arten des Langlaufskis heraus. Im Grunde kann man diese jedoch
5
wieder in zwei Gruppen einteilen, dem asiatischen „Geher“ (sibirischer Gehfellski), welcher
kurz, breit, fellüberzogen war und dem europäischen Gleiter, der vorwiegend aus Holz besteht
und mit Fell bespannt war. Eine aus heutiger Sicht kuriose Erfindung ist das Fahren ungleich
langer Ski, was jedoch in Norwegen, Schweden und Finnland bis ins 20. Jahrhundert Anwendung fand. Ein Ski war etwas kürzer, breiter und fellbezogen und wurde für den Abstoß des
Läufers oder der Läuferin verwendet, wohingegen auf einem zweiten, längere Ski gegleitet wurde, wie es in Abb. 2 auf dem rechten Bild zu sehen ist. Der Abdruck mittels kurzem Ski erfolgte
dabei nicht nur parallel, sondern auch seitwärts, was in heutiger Hinsicht einen halben Skatingschritt darstellen würde. Wurde diese Fortbewegungsart dann noch mit der Einstock-Technik
unterstützt, konnte man hierbei vom Vorreiter der modernen Skatingtechnik sprechen und vielleicht eine moderne „2:1 kurz“-Technik interpretieren. Bei dieser wird auch heutzutage noch
ein Stock als Führungsstock gesehen und übernimmt die Hauptarbeit. Als weiterer Ursprung
des Skatens könnte jedoch auch das Knochenschlittschuhlaufen auf sibirischem Hartschnee
gelten, worauf arabische Nachrichten des 10. Jahrhunderts Auskunft geben. Zur Anwendung
kam der Skilauf jeglicher Art vor allem zur Nachrichtenübermittlung, Kriegstreiberei und ersten
Skirennen.
Der hölzerne „Vollski“ wurde Ende des 19. Jahrhunderts von verleimten Skiern abgelöst und
in den 60er-/70er-Jahren des 20ten Jahrhunderts mit Kunststoffteilen ergänzt. Bis zur Mitte
der 80er Jahre des 20ten Jahrhunderts wurde nur zwischen den aufwändigen, empfindlichen
Rennski und den schweren Wanderskiern unterschieden. Zu dieser Zeit gab es jedoch bereits
eine Unterteilung zwischen Gleit- und Steigzone, was weitergehend zu Innovationen wie dem
Schuppenski und dem sogenannten Negativstrukturski geführt hat. Diese Arten wurden jedoch
schon damals im Spitzensport als ungeeignet eingestuft, da die Schuppen schlechte Gleit- und
Anpassungseigenschaften aufwiesen und der Wachsski zu bevorzugen ist. Als dann in den
80er Jahren die Skatingtechnik etabliert war, wurden die kürzeren, voll paraffinierten Skatingski entwickelt, mit denen man noch höhere Distanzen in kürzerer Zeit bewerkstelligen konnte.
(Hottenrott & Urban, 2003).
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3 Techniken beim Skilanglauf
Im Folgenden soll auf die grundlegenden Techniken beim klassischen Skilanglauf und beim
Skating eingegangen werden. Dies ist besonders entscheidend, um im späteren Teil die physikalische Wirkungsweise verstehen zu können. Der Hauptunterschied kann hier angeführt werden, dass die Bewegung der klassischen Technik in einer Ebene verläuft (Abb. 3), wohingegen
die Skating-Technik eine dreidimensionale Bewegung darstellt (Abb. 4). Weiter erfolgt beim
klassischen Skilanglauf der Abdruck über eine Steighilfe und beim Skating über die Kante. Zu
beachten sei jedoch, dass weltweit und sogar im deutschsprachigen Raum die Terminologie
und die Strukturansätze der Techniken unterschiedlich sind. So wird in Norwegen beispielsweise noch zwischen der Körperhaltung bei gleichen Techniken unterschieden (Lindinger, 2005).
Bei der Erklärung der Techniken wird die Einteilung von Theiner und Karl verwendet.
3.1 Techniken beim klassischen Skilanglauf
Grundlegend kann beim klassischen Skilanglauf zwischen den vier Techniken, Diagonalschritt,
Grätenschritt, Doppelstockschub und Doppelstockschub mit Zwischenschritt unterschieden
werden.
Abbildung 3: Bewegungsfolge des Diagonalschrittes bei klassischen Skilanglauf
(Quelle: Tagesanzeiger (2014))
Angefangen beim Diagonalschritt, der meist verwendeten Technik und in seiner Abfolge in
Abb. 3 dargestellt, beginnt dieser mit der sogenannten Abdruckphase. Hierbei wird das Gewicht auf einen Ski verlagert und die Steigzone in den Schnee gedrückt. Bei guter Haftung
wird das Abdruckbein weiter nach hinten und das Gleitbein etwas nach vorne geschoben. Das
Abdruckbein ist nun gestreckt und nur noch die Spitze hat Kontakt mit dem Schnee, der zweite
Ski ist belastet und auf diesem wird geglitten. Nach der Gleitphase initiiert der Schwung des
Abdruckbeines den neuen Diagonalschritt (Schwungphase). Der Stockeinsatz erfolgt gleichzeitig mit dem Abdruck des Beines, wobei der Stock neben dem Gleitbein einsticht und so lange
Druck auf den Stock aufgebracht wird, bis die Stockspitze durch die Fortbewegung des Körpers
den Schnee verlässt. Der Grätenschritt findet hauptsächlich bei sehr starken Steigungen seine
Anwendung, wenn es nicht mehr möglich ist, mit der Steighilfe den nötigen Halt zu erlangen.
7
Dabei gehen die Skispitzen nach außen und der Ski wird aufgekantet. Die Fortbewegung erfolgt
nun in einem steigenden Schlittschuhschritt, während die Kraft über die Kante entwickelt wird
und der Stockeinsatz diagonal erfolgt. In relativ ebenen Gelände wird der Doppelstockschub
angewandt. Dieser beginnt mit der Zugphase, bei der der Läufer beide Stöcke vor dem Körper
hat und bei der Bindung einsticht. Ab dem Punkt an dem die Hände am Körper vorbei schwingen und sich der Oberkörper senkt, beginnt die Schubphase. Bei dieser wird ausschließlich
durch Extension der Arme ein maximaler Kraftoutput erreicht. Am Ende erfolgt die Schwungphase, bei der sich der Körper wieder aufrichtet und die Arme vor den Körper gebracht werden.
Bei der Doppelstocktechnik mit Zwischenschritt, wird die Doppelstocktechnik mit der Diagonaltechnik kombiniert. Beginnend mit der Beinabdruckphase wird an dieser Stelle mit einem Bein
abgedrückt, das Gewicht auf das andere Bein verlagert und die Arme nach vorne genommen.
Danach folgt die Gleitphase bei der die Stöcke weiter nach oben genommen werden und zusammen mit dem Abdruckbein, das sich nach hinten bewegt hat, eine gewisse Vorspannung
bildet. In der Doppelstockphase wird das Gewicht auf beide Beine verlagert und eine normale
Doppelstocktechnik durchgeführt. (Theiner & Karl, 2002)
3.2 Techniken beim Skating im Skilanglauf
Beim Skating kann der Bewegungsablauf in den Halb-Schlittschuhschritt, den Eintakter, den
Schlittschuhschritt (SSS) ohne Stockeinsatz, den Zweitakter-symmetrisch, den Zweitakterasymmetrisch und den Diagonal-Schlittschuhschritt unterteilt werden.
Abbildung 4: Bewegungsfolge des Eintakters beim Skating
(Quelle: Tagesanzeiger (2014))
Beim Halb-SSS (Siitonen) bleibt ein Ski in der klassischen Spur und die Fortbewegung erfolgt nur über einen ausgescherten Abstoßski, sowie dem gewöhnlichen Doppelstockschub.
Beim Eintakter, auch bekannt unter dem 1:1-Schritt, erfolgt bei jedem Armabstoß zeitgleich ein
Beinabdruck nach außen und die Gewichtsverlagerung auf das Gleitbein (Abb. 4). Die Technik
SSS ohne Stockeinsatz kommt vor allem bei fallendem Gelände zum Einsatz. Bei dieser findet
ein wechselseitiger Beinabdruck statt und wird meist durch die Skistöcke in diagonalem Rhythmus aktiv unterstützt. Beim Zweitakter-symmetrisch, auch unter 2:1 lang/sym bekannt, erfolgt
ein symmetrischer Doppelstockschub bei jedem zweiten Beinabdruck. Diese Technik lässt sich
einteilen in die Vorbereitungsphase, bei der der Läufer oder die Läuferin auf einem gebeugten Bein gleitet und die Arme vor dem Körper positioniert. Danach erfolgt die Arm- und Bein-
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Abruckphase, wobei durch Kraftübertragung des gekanteten Skis und die Stockunterstützung
eine Gewichtsverlagerung auf das andere Bein vollzogen wird. In der Gleit- und Schwungphase, wird wie der Name verrät, zuerst weiter auf dem Ski geglitten und die Arme nach hinten
abgedrückt. Eine Schwungphase nach vorne mit einem Beinabdruck und Gewichtsverlagerung
auf das Gleitbein initiiert eine neue Vorbereitungsphase. Beim Zweitakter-asymmetrisch, auch
bekannt unter 2:1 kurz/asym, erfolgt, wie bei seinem symmetrischen Gegenstück bei jedem
zweiten Beinabdruck ein Stockeinsatz. Ein Unterschied ist jedoch die Verwendung eines Führarms bei der asymmetrischen Variante. Dieser befindet sich etwas höher und sticht weiter vorne
ein. Diese Technik ist besonders in steileren Passagen oder bei hoher Lauffrequenz von Bedeutung. Der Diagonal-SSS wäre an dieser Stelle die letzte zu nennende Technik und kann mit
dem Grätenschritt bei der klassischen Technik gleichgesetzt werden. (Theiner & Karl, 2002)
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4 Der Langlaufski
4.1 Arten
Zu den verschiedenen Arten von Skiern im modernen Skilanglauf, wäre an erster Stelle hier
der klassische Langlaufski zu nennen. Dieser ist stets die meist verwendete Art im Skilanglauf und wird auch noch heute als der typische Ski im nordischen Bereich gesehen. Basierend
auf der Entwicklung einer Jahrhunderte alten Tradition ist die Bewegung vom grundlegenden
Prinzip her, dem Diagonalschritt, noch gleich geblieben. Heutzutage wird jedoch nicht mehr auf
alten Holzlatten gelaufen, sondern hat meistens Hightech-Produkte unter den Langlaufschuhen. Der Ski wird immer noch in drei Zonen eingeteilt, der vorderen und hinteren Gleitzone,
sowie der Steigzone. Bei Letzteren wird heutzutage zu Wachs oder diversen Nowax-Varianten,
wie Schuppen gegriffen, um gut gleiten, aber auch einen explosiven Abdruck bieten zu können. Bei den Wachsski wird vor Wettkämpfen viel Zeit in die optimale Wahl des Wachses investiert, da ausgehend von den unterschiedlichen äußeren Einflüssen, das richtige Trockenwachs
(kalte Bedingungen) bzw. der richtige Klister (warme Bedingungen) gewählt werden muss. Zu
den „Nowax“-Varianten haben sich neben den alt bekannten Negativ-Schuppen noch Neuere etabliert, wie den Positiv-Schuppen (mit erhabener Ausbildung), den Micro-Schuppen, den
Microfaser-Belägen, den Kronen-Schliffen, den doppelten Kronen-Schliffen (evtl. sogar versetzt), einem Stufen-System und den Chemiebelägen. Beim normalen Schuppen-/Kronenski
wird eine Struktur in den Skibelag eingearbeitet, welche als Steighilfe zum Einsatz kommt und
bei Bedingungen um 0◦ C sogar im Spitzensport noch öfters als Alternative zum Wachsski gesehen wird. Bei kälteren Bedingungen ist eine mechanische Steighilfe jedoch klar von Nachteil,
da hier kein Halt in der harten Schneedecken gefunden werden kann und der Klister bei den
Wachsski besser haften kann. (Hottenrott & Urban, 2003)
Ganz auf alte Traditionen setzt das neue Skintec-System (Abb. 5) von Atomic, bei dem ein
Fell überzogenes Modul mit Hilfe von vier Magneten in eine Belagausbuchtung unter dem Ski
angebracht wird. Der große Vorteil dabei soll das schnelle Wechseln zwischen verschiedenen
Modulen sein und damit eine anpassbare Nowax-Variante zum klassischen Schuppenski darstellen. Das Fellmaterial ist wasserfestes Mohair (Haare der Angoraziege) und soll ebenfalls
gegen Vereisung geschützt sein. Neben der klassischen Technik gewinnt immer mehr das Skating von Bedeutung. Dies mag zum einen an den spannenden Wettbewerben beim Biathlon
liegen, in denen das Skating mit Schießeinlagen verbunden wird oder zum anderen daran,
dass für viele das Skating eine neue Alternative zum traditionellen klassischen Skilanglauf
darstellt. Ob nun Magdalena Neuner und co. oder die neue Bewegungsform die beim Skating angewandt wird, für diesen Aufschwung sorgen, ist schwer zu sagen. Dennoch wies auch
10
(a) Quelle: Cyclova (2012)
(b) Quelle: Fischer Sports (2014)
Abbildung 5: Atomic „Skintec“-Steighilfe (a) und „Hole in the tip“ von Fischer Sports (b)
Siegfried Paßreiter, Geschäftsführer der Fischer + Löffler Deutschland GmbH und Vorstandsmitglied des BSI, auf einen spührbaren Trend zum Skating hin und spricht dabei sogar von
einem „Formel-1 Effekt“, wie bei Schumacher und Vettel (Von der Osten, 2012). Er teilt sogar
mit, dass Skating-Skis teilweise „downgegraded“ und so auch billiger gemacht wurden, um allgemein ein breiteres Spektrum anzusprechen und zu dieser neuen Langlaufform zu locken.
Eine weiter Art des Langlaufskis ist der Kombiski, welcher den Skating-Ski und den klassischen Ski versucht zu verbinden. Angesprochen werden sollen dabei hauptsächlich Leute, die
sich nicht zwei verschiedene Paar Ski kaufen wollen. Das Problem was die Käufer und Käuferinnen dabei eingehen ist jedoch, dass sie einen Ski besitzen, der weder optimal zum Skaten
noch zum klassischen Langlauf zu gebrauchen ist und mehr eine Mischform darstellt. Eine
sehr neue Version des Langlaufskis ist der Nordic Cruising-Ski, welcher hauptsächlich eine
Alternative zum heutigen Nordic Walking darstellen soll. Von der Bauart ähneln dieser einem
klassischen Langlaufski, der jedoch etwas kürzer und breiter ist. Dies soll Langläufer und Langläuferinnen eine bessere Wendigkeit und Stabilität bieten, um ihnen den Einstieg zu erleichtern
und sogar außerhalb der Loipe damit fahren zu können. Für den Skilanglauf abseits der Loipen gibt es ebenfalls einen separaten Ski, den Backcountry-Ski. Dieser ist jedoch nur für das
Laufen abseits der Loipen gedacht und steht in Konkurrenz zum Tourenski. Im Folgenden wird
hauptsächlich auf die Skating- und Klassischski bzw. deren Material und Form eingegangen,
da diese im Leistungssport zum Einsatz kommen und hier auch die meisten Innovationen in
den letzten Jahre stattgefunden haben. Es werden vermehrt Entwicklungen bestimmter Firmen
genannt, welche jedoch keinerlei Werbung oder persönliche Präferenzen darstellen sollten. Die
unterschiedliche Gewichtung beruht auf den öffentlich zugänglichen Informationen, wobei manche Firmen ihre Innovationen, verwendeten Materialien und Technologie öffentlich frei geben
und andere wiederum dies als Betriebsgeheimnis wahren.
11
4.2 Material
4.2.1 Der Kern
Das Grundgerüst eines guten Langlaufskis ist unbestritten das verwendete Material, da dies
wesentlich die Charakteristika des Skis prägt. Wie schon im ersten Teil gezeigt, wurden Langlaufski früher grundsätzlich nur aus Holz hergestellt. Mit den Materialien heutzutage werden
Funktionen ermöglicht und gleichzeitig ein niedriges Gewicht erreicht, was mit reinem Holz
nicht möglich wäre. Im Spitzensport wird daher vermehrt zu Kohlenstoff, Glas- und Basaltfasern gegriffen. Das Hauptziel ist dabei jedoch nicht, so viel Carbon wie möglich zu verwenden,
sondern vielmehr einen Ski zu bauen, der einen möglichst großen Hohlraum und zugleich gute mechanische Eigenschaften besitzt. Bei einem Rennski von Atomic, dem „Atomic Worldcup
Classic FL SDS“, wird als Kernmaterial ein sehr leichtes Nomex-Gewebe (Papierhonigwabenkern (mit Phenolharz)) verwendet, wie es in Abb. 6 zu sehen ist. Fischer Sports setzt hingegen
im Kern auf eine Wellenstruktur, die sich neben der Waben-, Steg- und Tubusform noch im
Leichtbau durchgesetzt hat (siehe Abb. 7. Bei billigeren Modellen wird noch auf Leichtholzkerne oder Schaumstoffkerne (Polymethacrylimid) zurückgegriffen. Aufgebaut ist der Kern aus
einer Sandwichkonstruktion, wobei diese aus drei Schichten besteht. Das ist zum einen die
Kernschicht (Honigwaben/Wellen) innen, die Häute auf der Seite (zwei Holzwände) und die
Häute darüber und darunter (Faserverbundwerkstoff) (Abb. 7). Diese sind miteinander verklebt,
um eine gewisse Zug- und Schubfestigkeit zu erreichen. Eine hohe Dehnfestigkeit und Biegesteifigkeit ist dadurch gegeben, dass hier als Häute Materialien mit einem hohen E-Modul wie
Faserverbundwerkstoffe, Holz und innen eine Kernstruktur mit geringer Kraftleitung eingesetzt
wird. Entscheidend bei einem Sandwichkern ist somit ebenfalls das Material der Kernstruktur, das spezifisch leicht sein soll, senkrecht und parallel zur Mittelebene eine gewisse Schubspannung aushalten kann und dem Gesamtkonstrukt die nötige Stabilität und Gesamtsteifigkeit
verleiht. (Theiner & Karl, 2002)
Wie in der Abb. 6 zu sehen, hat das Nomex-System im Vergleich zu Kunststoffschäume
ähnlicher Dichte und unter der Betrachtung der dazugehörige Schub- und Druckfestigkeit, klar
den Vorteil. Beim Elastizitäts- und Gleitmodul sind die Unterschiede noch gravierender. Zu beachten ist, dass der Elastizitätsmodul eines Werkstoffes unabhängig von seiner Geometrie ist,
wohingegen die Steifigkeit auch mit der Konstruktion zusammen hängt. Als einziger Nachteil
der Honigwabenstrukturen, wäre die schlechte Verklebbarkeit zu nennen, die bei den Schäumen mit ihren glatten Flächen wesentlich besser funktioniert. (Klein, 2013) Verwunderlich ist
an dieser Stelle jedoch, dass für Langlaufski der Klassisch- und der Skatingdisziplin der selbe
Kern verwendet wird, obwohl die Kräfte unterschiedlich wirken. Beim Klassischlauf wirkt die
Kraft nahezu vertikal von oben ein, damit die Steigzone bei Gewichtsverlagerung den Schnee
berührt. Beim Skatinglauf jedoch wird auf einem Ski geglitten, welcher dann kurz vor dem Abdrücken aufgekantet wird, um so über die Kante die Kraft zu erzeugen. An dieser Stelle soll ein
Resume zu den verwendeten Materialen und Techniken im Leichtbau und deren Anwendung
12
Abbildung 6: Vergleich einiger Materialeigenschaften zwischen Kunststoffschäumen, Papierhonigwaben
und Al-Honigwaben
(Quelle: Klein (2013))
im Kern gezogen werden. Das Nomex-System stellt dabei in bester Form die Technik bzw. die
Konstruktion dar, die beim Leichtbau angewandt wird. Ob Waben-, Steg-, Tubus- oder Wellenstruktur, das Ziel ist immer eine Konstruktion aus möglichst leichtem Material (z.B. Papier) und
viel Hohlraum (Luft).
4.2.2 Die Ummantelung
Bei der Ummantelung des Kerns wird unterschieden, ob dieser in einer Sandwich- oder einer
Cap-Bauweise zusammengesetzt werden soll. Bei der Cap-Bauweise wird eine exakt konstruierte Glasfaserhülle über den Kern gestülpt, welche von Kante zu Kante reicht und somit eine
kompakte und schützende Form ergibt. Die großen Vorteile dabei sind die komplett neuen
Konstruktions- und Designmöglichkeiten, wie zum Beispiel die Wellen beim Madhus-Ski in der
Abb. 7. Außerdem können unerwünschte Torsions- bzw. Flexionseffekte leichter an eine CADKonstruktion angepasst oder mit einer Finiten Elemente Methode errechnet werden. Bei der
Sandwich-Bauweise werden wie beim „Atomic Worldcup Classic FL SDS“ unter und über dem
Kern die laminierten Carbonfasermatten und/oder die linearen Glasfasern angebracht und an
beiden Seiten mit Holzplatten verstärkt. Das Material, das individuelle Laminieren der Schichten, die Druck- und Temperaturverteilung in der Presse oder auch Unterschiede in der Pressenform führen jedoch auch unabdingbar zu unterschiedlichen mechanischen Charakteristika
bei zwei verschiedenen Ski. Diese müssen in gewissen Toleranzen liegen und werden per
Hand passend zu Paaren zusammen gesucht. Maier hat sich 2007 genau mit diesem Thema
13
auseinander gesetzt und versucht für die Firma Atomic ein Messsystem zu entwickeln, das
es ermöglichen soll, ein exakt gleiches Paar Langlaufski zu finden. Dies spielt schlussendlich
einen entscheidenden Faktor bei der Performance. (Maier, 2007) Fischer Sports ist in dieser
Hinsicht Vorreiter, da hier die Ski mittlerweile mit einer Maschine abgemessen werden und zu
möglichst exakten Paaren zusammen geführt werden.
(a) Quelle: Madshus (2014)
(b) Quelle: Fischer Sports (2014)
Abbildung 7: 3D Cap-Bauweise eines Skis der Firma Madshus (a) und eine Sandwichbauweise der Firma Fischer Sports (b)
Bei den billigeren Skiern wird des Öfteren, wie bei dem Fischer Mode„RCR ZERO+“ , statt
den Glasfasern zu Basaltfasern gegriffen, welche etwas bessere mechanischen Eigenschaften
aufweisen (E-Modul) und dazu noch hitze-, UV-, korrosionsbeständig und elektrisch unleitend
sind. Der Preis dafür ist jedoch im Moment etwa dreimal so hoch, im Vergleich zu dem von
Glasfaser. Der Grund für die fehlende Anwendung von Basalt bei den besten Skiern, liegt unter
anderem daran, dass Basalt eine Dichte von etwa 2,5 g/cm3 besitzt. Die Carbonfaser hingegen
weist einen Wert von 1,80 g/cm3 auf und spart somit Gewicht, was beim Langlaufski eine entscheidende Rolle spielt. (Liu, 2008) Das dem Kunden häufig aus Luft- und Raumfahrt bekannte Carbon erschwert weiter eine Vermarktung des eher unbekannten Basalts. (Schürmann,
2007) Weshalb es überhaupt zu einer Verbauung von Faserverbundswerkstoffen im Langlaufski kommt, liegt an der hohen Festigkeit die durch den Einsatz dünner Fasern (Basalt, Carbon,
Glas) ermöglicht wird. Aufgrund geringerer Abstände atomarer Fehlstellen bei dünnen Fasern,
können diese wesentlich bessere Festigkeitswerte aufweisen als ein dickeres Material. Ein weiterer entscheidender Vorteil der Faserverbundwerkstoffe ist die allgemein niedrige Dichte, was
sie für den Leichtbau interessant macht.
Dadurch ist ganz besonders auch die spezifische Festigkeit (Zugfestigekit im Verhältnis zur
Dichte) und der spezifische E-Modul (Elastizitätsmodul im Verhältnis zur Dichte) zu betrachten.
Hierbei sind die faserverstärkten Polymere aufgrund der niedrigen Dichte sogar weit vor den
Metallen, die durch ihr Gewicht schlechtere spezifische Eigenschaften haben, wie es in Abb. 8
zu sehen ist. Kohlenstofffasern liefern mit anderen Werkstoffen grundlegend die besten Werte,
was die Dichte, Steifigkeit und Festigkeit betrifft, kosten jedoch etwa 16-60 EUR/kg im Gegensatz zu 2-5 EUR/kg für die Glasfaser. (Weißbach & Dahms, 2011) Der Preis ist ebenfalls der
14
Abbildung 8: Spezifische Festigkeit und E-Modul verschiedener Werkstoffe
(Quelle: Weißbach und Dahms (2011))
wichtigste Vorteil der Glasfaser gegenüber der Kohlenstofffaser. Für Strukturbauteile ist der Elastizitätsmodul jedoch oftmals zu klein und es müssen andere Fasertypen verwendet werden. So
ist es letztendlich die Kohlenstofffaser die bis auf ihren Preis die besten Eigenschaften besitzt
und der beste Werkstoff auf Spitzenebene ist. Dabei gilt seit 1971 die Textilfaser Polyacrylnitril (PAN) als Ausgangsmaterial, welche je nach Stärke des Verstreckens beim Stabilisieren
(des PANs), Carbonisieren (Nicht Kohlenstoff-Atome werden abgespalten) und der Graphitierung (bei 2000 bis 3000◦ C), eine Orientierung der Fasern parallel zur Faserachse erhalten und
schlussendlich zu besseren mechanischen Eigenschaften führen. (Schürmann, 2007) Ebenso wie beim Kern, wird bei der Ummantelung versucht die Grundprinzipien des Leichtbaus zu
wahren. Beim Material für den Ober- bzw. Untergurt wird besonders auf die spezifischen Eigenschaften geachtet. Nicht nur die mechanischen Kennwerte sind entscheidend, beim Langlaufski
muss dabei ebenso auf die Dichte Wert gelegt werden. Durch die Verwendung von Kohlenstofffasern bei den Rennski gelingt dies bravourös.
4.2.3 Der Belag
Ein entscheidender Faktor beim Langlaufski ist außerdem der Belag. Dies ist die Kontaktfläche
zum Schnee und bestimmt somit die Gleitfähigkeit des Skis. Im Allgemeinen ist das Thema
Optimierung des Belags und Skigleiten jedoch viel umfangreicher wie im Folgenden dargestellt
und hängt von fünf Grundfaktoren ab. Dazu zählt die Verdichtung, der frontale Auftreffwiderstand, die Trockenreibung, die Schmelzwasserschmierung, der Kapillareffekt (Gleitwiderstand
steigt bei zunehmender Wasserfilmdicke), sowie die Verschmutzung und die elektrostatische
Aufladung. Diese wiederum sind abhängig von der Temperatur, der Gleitgeschwindigkeit, der
Schneeart und den Materialeigenschaften des Skis. (Peil, 2000) Das verwendete Material ist
beim hochpreisigen Skilanglaufbelag hochmolekulares, gesintertes Polyethylen, was zum einen
15
enorme Zähigkeit und zum anderen eine gewisse Absorptionsfähigkeit bietet. Letzteres ist essentiell für die Aufnahme des Gleit- bzw. Steigwachses. Beim Sinterungsprozess wird das Polyethylen mit diversen anderen Materialien unter hohem Druck und 200◦ C zu Scheiben geformt
und danach abgeschabt. Billige Materialen laufen lediglich durch einen Extruder, der das geschmolzene Granulat als Formstück wieder ausgibt (Theiner & Karl, 2002). Polyethylen wird
bei Skilanglaufbelägen aufgrund des sehr guten Gleitverhaltens auf Schnee und Eis, des sehr
guten Abtriebs und der Verschleissfestigkeit, der guten Wachsaufnahmefähigkeit, der Bearbeitungsfreundlichkeit, der Altersbeständigkeit und der guten Verklebefähigkeit verwendet. Beeinflusst werden diese Eigenschaften des Polyethylens auf Molekülebene, wobei hier die Länge
und die Linearität des Polyethylenmoleküls eine Rolle spielt. Weiteres ist Polyethylen eines der
wenigen Polymere, die neben ABS konstante mechanische Eigenschaften selbst bei niedrigen
Temperaturen aufweisen. Hochwertige Ski haben außerdem einen hohen Graphit bzw. Russanteil im Belag. Es wird durch den guten Wärmeleiter Graphit, Reibungswärme besser abtransportiert, wodurch die Gleitfähigkeit im Nass-Schnee deutlich verbessert wird. Russ ist ebenso
ein guter elektrischer Leiter, welcher die statische Aufladung des Belages durch Reibung verhindert, weshalb die Schmutzpartikel weniger angezogen werden und die Gleiteigenschaften
optimiert werden. Weitere Additive zu Steigerung der Gleitfähigkeit, wären unter anderem Bor,
Kohlenstoff und verschiedene Gallium-Indium-Legierungen.(Felgenhauer, 2013)
2013 versuchte Stamboulides et al. durch weitere Additive die Gleiteigenschaften des PEBelags weiter zu verbessern. Eine bestimme Art von Perfluoropolyalkylether hat dabei die Möglichkeit gezeigt, bei einer perfekten Beimengung von 2,5 Prozent zum PE, die Gleiteigenschaften bei einer Temperatur die höher wie 7◦ C ist, signifikant zu verbessern. (Stamboulides et al.,
2013) Verschiedene Oberflächenstrukturen sollen einen zusammenhängenden und bremsenden Wasserfilm und eine lange Kontaktzeit zwischen Belag- und Schneemolekül verhindern.
Diese werden durch ein Steinschliffverfahren bzw. neuerdings durch ein Diamantschliffverfahren (Fischer Sports) eingraviert. Bei der Art des Schliffes wird grundsätzlich zwischen drei Arten
unterschieden, der feinen Struktur („Gold“) für trockene, kalte Verhältnisse und Kunstschnee,
der Mediumstruktur für feuchte, kalte Verhältnisse und der groben Struktur („Plus“) für grobkörnige, feuchte und warme Bedingungen. Bei warmen Bedingungen entsteht von Natur aus ein
Wasserfilm und um den Kapillareffekt zu verhindern, wird dieser durch eine grobe Struktur versucht zu durchbrechen. Bei der feinen Struktur hingegen soll möglichst viel Auflagefläche und
dadurch Reibungswärme entstehen, um somit einen dünnen Wasserfilm zu bilden. Die richtige Abstimmung muss selbst bei führenden Skiunternehmen letztendlich noch durch praktische
Tests herausgefunden werden. Verschiedene Belagstrukturen geben des Weiteren Gleiteigenschaften bei bestimmten Bedingungen vor. Hierbei wird zwischen der linearen Struktur (warm
und feucht), der Kreuzstruktur (kalt) und der versetzt-gebrochenen Struktur (kalt) unterschieden. (Hottenrott & Urban, 2003)
16
4.3 Form des Langlaufskis
Erst in den 60er und 70er Jahren des 20ten Jahrhunderts, als Kunststoff an vielen Stellen des
Skis das Holz ersetzte, konnte für den Langlaufski auch seine dünne, dennoch hochleistungsfähige Form entwickelt werden, die bis heute in ihren Grundzügen noch erhalten ist. Am vorderen
Teil des Skis befindet sich eine abgerundete Spitze, die leicht nach oben gebogen ist und während hinten der Ski nahezu flach ausläuft. Im Durchschnitt sind Langlaufski in der Mitte etwa 44
mm breit, wobei sie vorne und hinten minimal dünner sind. Die individuelle Länge des Skis ist
abhängig von der Körpergröße und dem Gewicht, wobei man in etwa beim Klassischlauf 20 cm
und beim Skating etwa 10 cm zur individuellen Körpergröße dazu addiert. Des Weiteren muss
hierbei noch ein Unterschied zwischen einem Hobbyläufer und einem Spitzensportler gemacht
werden, da erfahrene Läufer eher längere Ski auswählen.
J = Σ∆mr2
(1)
(Quelle: Böge et al. (2012, S. C 61))
Die Dicke des Langlaufskis ist in dem Bereich der Bindung am höchsten und nimmt zu beiden
Enden hin stetig ab, wie es in Abb. 10 zu erkennen ist. Der Hauptgrund dafür liegt an dem Massenmoment (siehe Formel 1), was schnellere und effizientere Bewegungen verhindern würde.
Die Definition von Böge et al. lautet dazu: „Das Trägheitsmoment J eines Körpers in Bezug
auf eine gegebene Achse ist festgesetzt als Summe (genauer: Grenzwert der Summe) aller
Masseteilchen ∆m, jedes multipliziert mit dem Quadrat seines Abstands r von der Drehachse“
(Böge et al., 2012, S. C 61). Betrachtet man an dieser Stelle die Formel 1 und die Definition
dazu, stellt man fest, dass nicht nur das Gewicht entscheidend ist, sondern in hohem Maße
auch der Abstand des Gewichtes zu einer Achse. Dies ist ein entscheidender Faktor, warum
der Ski immer dünner wird, je weiter man sich von der Bindung entfernt.
Biegemoment Mb
axiales W iderstandsmoment W
(Quelle: Böge (2013b, S. 332))
Biegespannung Σb =
(2)
Weiter spielt hier jedoch auch das Widerstandsmoment Wx eine wichtige Rolle, da dies der
veränderbare Faktor für eine niedrige Biegespannung ist. Wird das Widerstandsmoment größer, so sinkt die Biegespannung, wie es die Formel 2 zeigt. Das Widerstandmoment kann direkt über die Formel in Abb. 9 errechnet werden, setzt sich aber auch aus dem Quotienten vom
Randfensterabstand und dem axiale Flächenträgheitsmoment Ix zusammen. Wie man in Abb. 9
sieht, setzt sich die Formel für das Widerstandsmoment Wx aus der Breite des Körpers, der Höhe des Körpers zum Quadrat und einem konstanten Divisor (6) zusammen. Daraus lässt sich
schließen, dass bei einem Anstieg der Höhe, das Widerstandsmoment exponentiell steigt und
somit auch die Biegespannung verringert wird. Für die Betrachtung des Langlaufskis bedeutet
dies, dass die Breite des Körpers, aber vor allem die Höhe, einen entscheidenden Einfluss auf
die Biegespannung haben. Im Bereich der Bindung soll sich der Langlaufski nicht durchbiegen
17
können, es wird daher eine große Höhe verwendet. Je weiter sich von der Bindung entfernt
wird, desto dünner wird der Ski und die gleiche Biegespannung/Durchbiegung, erfolgt schon
bei einem kleineren Biegemoment Mb . Dies ist jedoch erwünscht, da hier dem Ski eine gewisse Vorspannung bei der Produktion mitgegeben wurde, welche sich bei Gewichtsverlagerung
auf einen Ski bis zu einem bestimmten Punkt durchdrücken soll, um zum Beispiel die Steighilfe
in den Schnee zu drücken. Wie gezeigt wurde, ist die Form des Langlaufskis sehr entscheidend für dessen mechanische Eigenschaften. Dies ist beim Leichtbau besonders zu beachten,
da wenige Millimeter über die Charakteristika einer Konstruktion entscheiden können. Wie in
den Formeln zum Massenmoment und Flächenmoment gezeigt, spielt dabei vor allem Höhe
eine wichtige Rolle. Deswegen muss beim Leichtbau schon im vor hinein klar sein, an welcher
Stelle zum Beispiel der Ski einen hohen Flex hat oder wie torsionssteif die Konstruktion sein
soll.
Abbildung 9: Formeln zum Flächenmoment, mit dem Widerstandsmoment Wx bzw. dem axiale Flächenträgheitsmoment Ix
(Quelle: Böge (2013a, S. 35))
Weiter kann wie bei Alpinski auch bei Langlaufskiern von einer Taillierung gesprochen werden. Hier wird jedoch im Profibereich stets auf eine Race-Taillierung bzw. Pfeil-Taillierung zurückgegriffen. Die Kanten sind hier gerade und nur vorne laufen diese zu einer Spitze zusammen. Diese Art ermöglicht einen besseren Abdruck und ist schneller, sowie stabiler bei hohen
Geschwindigkeiten. Einzig für Anfänger, Backcountry- oder Nordic Cruising Läufer ist eine anderweitige Taillierung sinnvoll. Dabei sind die Skispitze und das Ende etwas breiter, was ein
einfacheres Handling und eine höhere Stabilität bei Kurven aufgrund der parabolischen Form
(mathematische Kurve 2. Ordnung) bieten soll. Bei der weiteren Analyse der Form eines Langlaufskis muss zwischen dem Klassisch-Ski und dem Skating-Ski unterschieden werden.
4.3.1 Form eines Skating-Skis
Der Skating-Ski wird kürzer gewählt, weil der Ski nicht nach hinten-unten abgerückt, sondern in
einer Schlittschuhschritttechnik fortbewegt wird. Das heißt die Bewegung erfolgt nicht in einer
Ebene, stattdessen wird der Ski beim Abdrücken nach hinten-außen gestemmt und danach
wieder nach innen bewegt. Unnötig lange Ski würden sich hier störend auswirken, da dadurch
vor allem das Massenmoment erhöht wird. Wenn man hierzu wieder die dazugehörige Formel 1 von Böge et al. betrachtet, wird deutlich, dass der Abstand und somit auch die Länge
des Skis einen großen Einfluss haben (Böge et al., 2012). Durch diese Tatsache entsteht nicht
18
Abbildung 10: Skatingski “EQUIPE RS MED/HARD“ der Firma Salomon
(Salomon, 2014)
nur eine höhere Pendelbewegung, es muss auch mehr Kraft aufgebracht werden, um den Ski
nach dem Abdruck und beim Anziehen zu bremsen und wieder neu aufzusetzen. Eine der neusten Innovationen von Fischer Sports besteht darin, dass ein Loch (Abb. 5) in die HM Carbon
Laminat Spitze konstruiert wird oder die Spitzen aus Echtcarbon angefertigt werden, um so
die Massenträgheit und eine daraus höhere Pendelbewegung zu minimieren. Fischer Sports
wirbt genau damit auf ihrer Website mit Slogans wie „Skatingkonstruktion aus HM Carbon Laminaten , zur Reduzierung der Masse in der Spitze“, „Weniger Kraftaufwand dank reduzierter
Pendelbewegung“zum „Hole Ski Tip“ oder „Der Vorteil: weniger Massenträgheit und optimiertes
Swingweight“.
Jeder Langlaufski hat außerdem eine gewisse Spannung sowie einen gewissen Härtegrad,
was bei einem komplett unbelasteten Ski zu einem Hohlraum führt. Beim Skating-Ski ist die
Vorspannung nicht so entscheidend wie beim Klassisch-Ski, dennoch ist hier eine gewisse
Spannung nötig. Ist der Ski zu weich, so läuft er schlecht geradeaus und wirkt bei einer weichen Spur bremsend (Einsinken). Bei einem zu steifem Ski leidet die Drehfreudigkeit unter
der ungleichmäßigen Gewichtsverteilung. Des weiteren unterstützt die Skispannung den Läufer bei der Abdruckphase und gibt diesem einen Impuls mit. Es gibt vermehrt Systeme, die
den Zusammenhang zwischen der richtigen Druckverteilung bzw. Spannungskurve und dem
Wetter bzw. Loipenbedingungen darlegen sollten, jedoch noch auf kein konkretes Ergebnis gekommen sind. Herausgefunden wurde lediglich, dass der maximale Spannungshöhepunkt bei
Skatingskiern bei warmen bzw. nassen Bedingungen niedriger sein sollte. Außerdem wäre es
besser, wenn bei kalten Verhältnissen der Spannungsbogen und die Druckzone im Vergleich
zu Warmen vor der Bindung länger sind. (Bäckström, Dahlen & Tinnsten, 2008)
4.3.2 Form eines Klassik-Skis
Beim Klassischlauf wird der Langlaufski nur in zwei Dimensionen bewegt. Dadurch besteht
das Problem des Pendelns von außen nicht. Viel mehr ist hierbei die große Länge erwünscht,
19
Abbildung 11: Klassikski “EQUIPE RC SKIN MED/HARD“ der Firma Salomon
(Salomon, 2014)
um zum einen den Langlaufski beim Ausschlagen nach dem Abdruck gut in der Spur führen
zu können und zum anderen um mehr Gleitfläche für die Druckverteilung des Körpergewichts
zu ermöglichen. Es sind nicht nur die Maße die beim Vergleich zwischen einem Skating-Ski
und einem Klassisch-Ski direkt auffallen. Die längere und zugleich weiter nach oben gebogene Spitze (siehe Abb. 11) ist ebenfalls ein Kennzeichen des Klassisch-Skis, was wiederum die
geradlinige Führung des Skis in der Loipe verbessern soll. Die Spannung spielt im Gegensatz
zum Skating-Ski beim Klassisch-Ski eine entscheidende Rolle, egal bei welchen Bedingungen.
Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf die Spannungslänge vor der Bindung gelegt. Wie
bei der Skatingtechnik die Fortbewegung durch Abdrücken des Skis in einer Schlittschuhstellung erfolgt, so funktioniert das Ganze bei der klassischen Technik durch die Gewichtsverlagerung und das Abdrücken von einem Ski. Hierbei wird die Steigzone, mit Wachs oder Nowax, in
den Schnee gepresst und ein Halt erzielt. Eine genaue Aussage in wieweit die Spannung und
Druckverteilung mit den Umweltbedingungen zusammen hängen, kann auch hier nicht getroffen werden. (Bäckström et al., 2008)
20
5 Die Langlaufbindung
5.1 Arten einer Langlaufbindung
Die Langlaufbindung stellt das Bindeglied zwischen dem Langlaufschuh und dem Langlaufski
dar. Aus diesem Grund muss die Bindung eine gewisse Stabilität beim Abdruck bieten und
gleichzeitig beim anderen Ski eine Führungsstabilität aufweisen. Ebenso muss das Zurückholen des Skis nach dem Abdruck, seitlich beim Skating und von hinten beim klassischen Skilanglauf, optimal passen und keinen unnötigen Kraftaufwand oder Pendelbewegung verursachen.
Was den Markt für die Langlaufbindungen betrifft, wird dieser von zwei verschiedenen Arten
dominiert. Dies ist zum einen die SNS-Bindung („Salomon Nordic System“) in Abb. 13 und
zum anderen die NNN-Bindung („New Nordic Norm“) in der Abb. 12 von der Firma Rottefella.
Nicht jeder Schuh ist mit jedem Bindungstyp kombinierbar. So lassen sich für das SNS-System
nur Langlaufschuhe der Marken SALOMON, TECNO PRO und ATOMIC verwenden und für
das NNN-System nur Langlaufschuhe der Marken FISCHER, MADHSUS und ROSSIGNOL
(Kroes, 2005). Im Patent US 20080047168 A1 für „Nordic ski boot support and attachment
structure“ wird auf drei Bindungsarten hingewiesen, da hier noch zwischen der normalen SNSBindung und der SNS Pilot-Bindung unterschieden wird. Wie in Abb. 13 zu erkennen, ist bei der
SNS Pilot-Bindung ein zusätzlicher Haltebügel (weiß) für den Langlaufschuh. Des Weiteren
wird in dem Patent auch auf die alten Drei-Pin-Bindungen hingewiesen, welche jedoch eher bei
Tourenskiern eingesetzt werden und heutzutage kaum mehr vertreten sind. In diesem Patent
geht es jedoch grundlegend um eine komplett neue Innovation, die sich noch nicht durchgesetzt hat. Bei dieser wird die Bindung und der Schuh miteinander verschraubt und soll eine
direktere Kraftübertragung gewährleisten. (Svensson, 2008) Bezogen auf den Leichtbau, werden bei den modernen Langlaufbindungen vor allem verschiedene Polymere verwendet. Der
Hauptgrund dafür ist ihre niedrige Dichte mit dennoch guten mechanischen Kennwerten. Hier
sticht besonders das ABS und das POM hervor, da diese auch bei niedrigen Temperaturen
konstante Werkstoffeigenschaften aufweisen.
5.2 Das NNN-System
Die NNN-Bindung ist nicht direkt auf der Skioberfläche angebracht, sondern auf einer zuvor
montierten NIS („Nordic Integrated System“) -Platte. Diese Platte besteht aus ABS („AcrylnitrilButadien-Styrol “), wodurch diese sehr leicht ist (Dichte von 1, 02 − 1, 12g/cm3 ) und zugleich
einen hohen Härte- und Zähigkeitsgrad aufweist. (Muha, 2005) Durch eine feste Verbindung
21
Abbildung 12: NNN-Bindungssystem der Firma Fischer Sports, links der vordere Teil der Bindung, rechts
die komplette Bindung mit eingespanntem Schuh
(Quelle: Fischer Sports (2014))
zwischen der Bindung und dem Ski, soll dadurch eine Einheit entstehen und eine bessere
Kraftübertragung ermöglichen. Rottefella, der Erfinder des NNN-Bindungssystems verwendet
bei der Anbringung der Platte Schrauben, andere Hersteller wie Fischer Sports versprechen
sich durch anderweitige, patentierte, kraftschlüssige Verbindung eine bessere Kraftübertragung
durch einen ungehinderten Flex des Skis. Die eigentliche Polymerbindung kann sehr einfach
auf die NIS-Platte geschoben, fixiert und je nach Schneebedingung, Loipenverlauf oder individuellen Präferenzen feinjustiert werden. Bei dem Material der Bindung wird POM (Polyoxymethylen) verwendet, da dieses hohe Festigkeit, Steifigkeit und vor allem Härteeigenschaften
besitzt. Konstante Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen (kältezäh) und geringe Feuchtigkeitsaufnahme machen dieses Polymer zur idealen Lösung. (Weißbach & Dahms, 2011)
Nur ein kleiner, metallischer Bügel, welcher unter dem vorderen Ende des Schuhs verbaut ist,
verbindet diesen mit der Bindung. Zwei Schienen parallel zum Ski und zwei Einkerbungen in
der Bindung quer dazu, passen korrespondierend zu denen im Schuh. Diese sollen weitere
Torsions- bzw. Flexionseigenschaften des Schuhs verhindern und dem Läufer eine perfekte
Stabilität bieten. (Svensson, 2008)
Ein weiterer Vorteil gegenüber dem SNS-System bietet die breitere Bindungsplatte, wodurch
dem Langläufer mehr Kontaktfläche zwischen dem Schuh und der Bindung ermöglicht wird.
Eine erhöhte Stabilität soll den resultierenden Mehrwert darstellen. Dies, eine bessere seitliche
Kraftübertragung und eine erhöhte Kontrollierbarkeit wird auch durch die verwendete, doppelte Führungsschiene versprochen. Als weiteren Vorteil des NNN-Systems nennt Fischer Sports
den geringen Abstand zwischen Schuh und Ski, wodurch eine bessere Kraftübertragung und
Sensibilität garantiert werden soll und welches bei keinem anderen Bindungssystem der Fall
ist. Am vorderen Ende der Bindung, wo der Schuh mit dem NNN-System verbunden ist, wurde außerdem ein kleiner Elastomer-Block angebracht. Dieser soll die Pendelbewegung beim
Skaten oder die Ausschlagphase nach dem Abdruck beim klassischen Skilanglauf abdämpfen.
22
Fischer Sports versucht hier zudem durch ein sogenanntes „Dual Flexor System“ zu brillieren,
bei dem der Skating-Ski durch einen zusätzlichen Bindungsflexor (siehe Abb. 12) nach dem Abstoss in horizontaler Balance gehalten wird und somit weniger im Schnee hängen bleibt bzw. in
vertikaler Richtung pendelt.
5.3 Das SNS-System
Abbildung 13: SNS-Pilot-Bindungssystem der Firma Salomon
(Quelle: Salomon (2014))
Die Hauptunterschiede des SNS-Bindungssystem zu dem NNN-System ist das Fehlen einer montierte Bodenplatte am Ski. Die Bindung wird direkt auf den Ski montiert und besitzt
nur eine breitere Schiene in der Mitte, die bis hinter die Ferse erstreckt. Der Bindepunkt zwischen Schuh und der Bindung ist jedoch auch hier ein kleiner Metallbügel (26 mm), der mit
einem Verschlusssystem festgehalten wird. Nur bei der SNS-Pilot-Bindung ist hier noch ein
metallischer Anker (Skating) oder ein flexibles Band (Klassik) mit einem zweiten Metallbügel
am Schuh verbunden, wie man in der Abb. 13 in der Mitte (weiß) erkennen kann. Das Einsteigen in die Bindung funktioniert bei einigen Modellen automatisch durch vertikale Kraftausübung
des Metallbügels auf den Haltemechanismus und bei anderen durch manuelles Öffnen mit Hilfe
eines Klappbügels. Zum Lösen muss danach entweder der Auslöseknopf oder der Klappbügel
betätigt werden. Als Abdämpfung nach dem Abdruck ist hier bei der klassischen Bindung ebenfalls ein Elastomerblock beim Haltemechanismus eingebaut. Bei der Pilot-Version fehlt dieser,
da der Schuh schon an zwei Punkten befestigt ist und dadurch eine gewisse Stabilität und
Kontrolle gegeben ist. (Theiner & Karl, 2002)
23
6 Der Langlaufschuh
6.1 Allgemeines zum Langlaufschuh
Eine gute Wahl des Langlaufschuhs ist sehr entscheidend für die Leistung, aber auch den
Spaß und Komfort, den man während dem Langlaufen hat. Der Langlaufschuh fungiert als
Kraftüberträger zwischen den biomechanisch wirkenden Kräften die der Läufer oder die Läuferin verursacht um voran zu kommen und der Bindung bzw. dem Ski, der im Folgenden die Kräfte
möglichst effektiv in den Schnee wirken lässt. Weiter soll er vor Kälte schützen, atmungsaktiv
und wasserdicht sein, während er sich auf der anderen Seite gut an den Fuss anpassen und
nicht Drücken soll. (Theiner & Karl, 2002) Im Grunde werden die aktuellen Langlaufschuhe
in vier Kategorien eingeteilt, dem Klassikschuh, dem Skatingschuh, dem Kombischuh und dem
Skiwanderschuh. Additiv zu beachten ist dabei, welches Bindungssystem (SNS oder NNN) verwendet werden soll, da Langlaufschuhe verschiedener Marken nur eines der Bindungssysteme
unterstützen. Der grundlegende Unterschied liegt hierbei jedoch an der Sohle. So sind heim
NNN-kompatiblen Schuh zwei Führungsrillen (siehe Abb. 12) und bei den SNS-kompatiblen
Schuhen nur eine größere Führungsrille in der Mitte vorhanden. Wie schon in dem Abschnitt
„Die Langlaufbindung “erwähnt, besitzt der Langlaufschuh an der vorderen Spitze einen kleinen Metallsteg aus rostfreiem Edelstahl, der in der Bindung fixiert werden kann, somit eine
feste Verbindung darstellt und sich der Schuh nur mehr um die Achse des Metallsteges drehen
kann. Einzig beim SNS-Pilot-System-Schuh kommt noch ein zweiter Metallsteg hinzu, der etwas versetzt nach hinten mit einem starren Bügel oder flexiblen Band einen weiteren Haltepunkt
zur Bindung darstellt. Zum Klassikschuh (Abb. 14) ist anzumerken, dass bei diesem der Schaft
leicht über den Knöchel geht, dort jedoch sehr flexibel ist. Im Vorfußbereich lässt sich dieser
leicht durchbiegen, was aufgrund der biomechanischen Bewegung der klassischen Technik
von Nöten ist. Eine Seitenstabilität ist bei dem Klassikschuh auf Grund der zweidimensionalen Bewegung trivial, wohingegen sie beim Skatingschuh umso wichtiger ist. Zusätzlich wird
dieser nicht nur allgemein höher geschnitten, das ganze Sprunggelenk wird durch eine faserverstärkte Polymerkonstruktion stabilisiert, was in Abb. 15 gut zu erkennen ist. Die Flexion- und
Extensionsbewegung ist noch gegeben, jedoch soll eine Pronation und Supination des Fußes
unterbunden werden und den Läufer während der Gleitphase beim Halten des Gleichgewichts
und der Stabilität unterstützen. Anzumerken ist bei dem Skischuh die leicht erhöhte Brandsohle, sowie der leicht nach vorne gerichtete Schaft, welcher eine bewegungsaktive Körperposition
und einen optimalen Abdruck zur Folge hat. Der Kombischuh verbindet verschiedene Aspekte des Skatingschuhs mit denen des Klassikschuhs, um so beide Techniken mit einem Schuh
ausführen zu können. Bei dieser Art des Langlaufschuhs ist es möglich, die seitliche Stabili-
24
sationshilfe, welche beim Skatingschuh Verwendung findet, flexibel einzustellen oder gar ganz
zu entfernen. Eine weichere Sohle, wie beim normalen Skatingschuh und eine Schaft in mittlerer Höhe, sollen ebenso eine Alternative zum Erwerb zweier verschiedener Schuhe darstellen. Verwendung findet diese Art jedoch vornehmlich im Breitensport, da er zwei verschiedene
Arten von Schuhen versucht zu verbinden, jedoch für keine Langlauftechnik die optimalen Eigenschaften bietet. Einzig berechtigte Stellung hat diese Variante im Spitzenlanglauf nur bei
der Skiwechsel-Disziplin, da hier zwar von Klassikski/-stöcke auf Skatingski/-stöcke gewechselt
wird, die Schuhe jedoch anbehalten bleiben. Es gibt auch Athleten die diesen Wettbewerb mit
reinen Skatingschuhen bestritten, da Kombischuhe allgemein mit billigeren Materialien für den
Breitensport hergestellt werden. Als letzte nennenswerte Art des Skilanglaufschuhs wäre hier
noch der Skiwanderschuh zu nennen. Dieser wird ausschließlich für Hobbyläufer konzipiert,
reicht über den Knöchel, ist gut gefüttert und bequem. (Hottenrott & Urban, 2003) Wie der
Langlaufski ist der Schuh nach bestem Wissen des Leichtbaus konzipiert. Verwendet werden
dabei nur extrem leichte Materialien, wie faserverstärke Kunststoffe. In der Konstruktion stellt
das Carbon Chassis einen soliden Untergrund dar, das zum einen leicht ist, aber ebenfalls
über ideale mechanische Eigenschaften verfügt. Im oberen Teil wird besonders durch HighTech Schaum der nötige Komfort gegeben, während dieser perfekt vor äußeren Einflüssen
schützt und kaum Gewicht aufweist. Stützkonstruktionen wie beim Skatingschuh sind ebenfalls
aus Carbon. Faserverstärkte Kunststoffe sind in ihrer Herstellung zwar teurer und aufwendiger,
bieten jedoch die idealen Eigenschaften für Leichtbauanwendungen.
6.2 Die Materialien und Innovationen beim Klassikschuh
Abbildung 14: Klassikschuh „S-LAB CLASSIC“ der Firma Salomon
(Quelle: Salomon (2014))
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Zum Einsatz kommen bei den modernen Langlaufschuhen auch die neuesten Leichtbaumaterialien, wie Pebax (Polyether Block Amide), Carbon, Kevlar, thermoformbarer Schaum oder
Lycra. Pebax gehört zu der Gruppe der thermoplastischen Elastomere und wird für die geformten Fersenumhüllung verwendet, um Stabilität zu bieten und für eine optimale Kraftübertragung
zu sorgen. Der Hauptgrund warum Pebax oft bei Ski-/Langlaufschuhen zum Einsatz kommt ist
die hohe Robustheit gegenüber periodischer Durchbiegung der Sohle auch bei kalten Temperaturen. (Bhowmick & Stephens, 2000) Der eigentliche Boden und die untere Schale ist ein 3D
Carbon Chassis. Damit soll dem Langlaufschuh eine Abdruckstabilität gegeben werden und
trotzdem eine gewisse Flexionseigenschaft vorhanden sein, wie sie bei der klassischen Technik benötigt wird (Theiner & Karl, 2002). Des Weiteren kann durch Carbon ein leichter Schuh
produziert werden, der dennoch durch die Eigenschaften des Materials eine gute Kraftübertragung besitzt, sowie Halt und Kontrolle bietet. Eine halbweiche Flügelkonstruktion ist mit dem
Chassis verbunden und läuft über dem Fußrücken zusammen. Der Fuß ist demnach komplett
eingeschlossen und kann durch Kevlar-Schnürringe oder dem Fersenband noch fester fixiert
werden. Die Kraft wird somit direkter vom Fuß auf den Schuh übertragen, die Kontrolle ist
besser und der Schuh (somit auch der Ski) reagiert schneller auf Bewegungen. Kevlar gehört zu der Gruppe der Aramide (Aromatische Polyamide) und wird bei den Langlaufschuhen
in Form von Aramidfasern verwendet. Als idealer Fasertyp für das Schnürsystem der Schuhe
können diese aufgrund ihres Elastizitätsmodul von bis zu 450 GPa und der axialen Zugfestigkeit von 4700 MPa angesehen werden. Des Weiteren sind Aramidfasern sehr verschleißfest,
witterungsbeständig und können den Reibkräften beim Festschnürren der Schuh oder der Belastung beim Laufen standhalten. (Rösler, Harders & Bäker, 2012) Für das Einsteigen in den
Schuh wird vermehrt auf ein Quicklace-System gesetzt, welches das Fixieren des Fusses mit
Handschuhen wesentlich einfacher macht und schneller vonstatten geht. Die Innensocke soll
auch genau dazu beitragen, ist dehnbar, ragt ein bisschen über den Schuh hinaus und passt
sich nach dem Einsteigen direkt dem Unterschenkel an. Dadurch wird nicht nur das Einfallen
von Schnee verhindert, sondern dient ebenso als Kälteschutz. Sobald man den Einstieg geschafft hat, schmiegt sich eine Mischung aus Komfortschaum, thermoformbaren Schaum und
Lycra perfekt jeder Fussanatomie an. Lycra ist eine synthetische Elastanfaser, die eine außerordentliche Dehnfähigkeit (bis zum Siebenfachen) und zugleich eine hohe Rücksprungkraft
besitzt. Diese Eigenschaften sind für den Langlaufschuh ideal, da sie ein einfaches Einsteigen
ermöglichen und sich im Nachhinein jedem individuellen Fuss anpassen. Darüber hinaus ist
das Elastan resistent gegen Licht oder Alterung und besitzt eine Feuchtigkeitsaufnahme von
nur 1,5 Prozent. (Elsner et al., 2003)
6.3 Die Materialien und Innovationen beim Skatingschuh
Von den verwendeten Materialien ist der Skatingschuh dem Klassikschuh sehr ähnlich. Der
Boden und die Schale bestehen ebenso aus einem 3D Carbon Chassis, welches hier jedoch
wesentlich geringere Flexionseigenschaften zulässt. Dies würde ansonsten negative Auswir-
26
Abbildung 15: Skatingschuh „S-LAB SKATE PRO“ der Firma Salomon
(Quelle: Salomon (2014))
kung auf die Kraftübertragung und die Kontrolle über den Ski beim Skaten haben. In Bezug
auf die Innensocke, dem Schaum und Lycra zur perfekten Passform des Fusses, dem verstellbaren Fersenband, der geformten Fersenkappe und der Quicklace-Schnürrung, kann hier
ebenfalls auf den Klassikschuh verwiesen werden. Der grundlegende Unterschied vom Skatingschuh zum Klassikschuh liegt in der Stabilität und Fixierung des Fusses. (Theiner & Karl, 2002)
Wie schon bei den Formen des Langlaufschuhs gezeigt und in Abb. 15 dargestellt, wird beim
Skatingschuh das komplette Sprunggelenk mit einer Carbon-Manschette mit Verschlussband
stabilisiert und darüber hinaus durch ein breites Ratschensystem im Bereich des Mittelfusses
fixiert. Carbon wird auch hier aufgrund der guten mechanischen Eigenschaften und der zugleich niedrigen Dichte anderen Materialien vorgezogen. Der große Nachteil liegt, wie schon
beim Langlaufski dargelegt, im Preis des Carbons und findet daher vornehmend im Leistungsund Hochpreisbereich Anwendung.
27
7 Der Langlaufstock
7.1 Allgemeines zum Langlaufstock
Wie in der Einleitung aufgezeigt wurde, setzt sich die aktiv mögliche Beschleunigung durch
den Sportler neben der Beinabstoßkraft, auch durch die Stockabstoßkraft zusammen. Letzteres darf auf keinem Fall unterschätzt werden, da bei Klassikwettkämpfe auf einer relativ ebenen
Strecke oder bei Sprints, die Doppelstocktechnik erheblich an Bedeutung gewonnen hat. Durch
Fortschritte beim Material werden die Läufer und Läuferinnen immer schneller, wobei die Doppelstocktechnik bei hoher Geschwindigkeit die effektivste Klassiktechnik ist. Was das eingesetzte Material, den Komfort oder das innovative Schlaufensystem betrifft, hat sich in den letzten Jahren viel geändert. Von einem guten Langlaufstock wird heutzutage neben einer hohen
Steifigkeit, ein harmonisches Schwungverhalten, ein geringes Gewicht und eine ergonomische
Schlaufe bzw. Griff als Leistungsmerkmal gefordert. Anzumerken ist auch, dass es bei den
Langlaufstöcken bis jetzt noch keine separaten Klassik- bzw. Skating-Stöcke gibt. Lediglich bei
der Skatingtechnik werden grundlegend längere Stöcke angewendet, was bei dieser Disziplin
einen besseren Kraftoutput ermöglicht. Grundlegend kann der Langlaufstock, wie in Abb. 16 zu
sehen, in drei Teile gegliedert werden, dem Handgriff mit Schlaufe, dem Hohlrohr und einem
Stockteller mit metallischer Spitze. (Hottenrott & Urban, 2003) Mit früheren Holzstangen haben
die heutigen Langlaufstöcke nicht mehr viel gemein. So besteht der Schafft aus 100 Prozent
Carbon, mit einem Hohlraum in der Mitte und wiegt pro Meter etwa 60g. Das Material ist im
Leichtbau ein entscheidender Faktor, dies bestimmt die grundlegenden Eigenschaften einer
Konstruktion und das Gewicht.
7.2 Der Handgriff
Grundsätzlich besteht der moderne Skilanglaufgriff aus einem 2-Komponenten Material, dem
harten Carbon verbunden mit weichem Kork. Das harte Material soll dabei eine gute Kraftübertragung bieten, wohingegen der Kork für den nötigen Komfort sorgen soll. Die Hand ist
mit einem Schlaufensystem an dem Griff gebunden, was dem Läufer ermöglicht, die Stöcke
beim Abstoß loszulassen und danach wieder in die Hand zurück zu führen. Eine der größten
Entwicklungen in den letzten Jahren war hier das „Schnelllösesystem des Griffes “, bei dem die
Hand mit Hilfe eines Hebels vom Stock gelöst werden kann, ohne die Schlaufe ausziehen zu
müssen. Als Nachteil wird angemerkt, dass aufgrund des Schnellschlusssystems die Schlaufe
nicht mehr optimal der Hand angepasst werden kann. (Fellin, 2007)
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Abbildung 16: Langlaufstöcke der Firma Leki mit Nahaufnahme des Schaffts (Mitte), dem Griff mit der
Schlaufe (links unten) und dem Teller mit der Spitze (rechts unten)
(Quelle: Mountain Sport (2014))
7.3 Der Schafft
Der Schafft der besten Langlaufstockmarken besteht heutzutage meist aus 100 Prozent
hochmodularen quer- und zweifach längs-geflochtenen bzw. längs- und diagonalgeflochtenen
Spezial-Carbonfasern, welche in Epoxydharz getränkt wurden (Hemmersbach & Franke, 2008).
Gegenüber Aluminium- oder Fiberglasstöcken sind diese Carbonvarianten um bis zu 50 Prozent leichter, jedoch auch entsprechend teurer. Die Carbonfasern sorgen dabei für eine sehr hohe Steifigkeit und bieten gleichzeitig ein niedriges Gewicht. Dies beeinflusst einen verringerten
Kraftaufwand beim Vorholen des Stockes nach dem Abdruck und ein harmonisches Schwungverhalten durch eine Reduktion des Massenträgheitsmoments. Ein hoher Grad an Flexibilität
bleibt jedoch dabei erhalten, um bei längeren Stöcken und den daraus resultierenden höheren
Krafthöhepunkten und Biegemoment, eine optimale Kraftübertragung und Rückstellkraft zu erzeugen. (Swarän et al., 2013) Neue Modelle bieten teilweise nebenbei noch ein Verstellsystem
an, wodurch der Stock individuell auf den Sportler eingestellt werden kann.
7.4 Der Teller und die Spitze
Der Teller soll bei den Langlaufstöcken durch eine Vergrößerung der Fläche, vor allem bei
wärmeren Bedingungen das Absinken im Schnee verhindern. Die metallische Spitze hingegen
sorgt auch bei eisigen Verhältnissen oder aber auch auf der Teerstraße beim Skirollertraining im
Sommer für den nötigen Grip. Das „Multi Tip System “ von Fischer Sports ist eine der neuesten
Innovationen in diesem Bereich, wobei dies ein einfaches Austauschen gewünschter Teller und
Spitzen für bestimmte Bedingungen durch ein Gewindesystem ermöglicht.
29
8 Zusammenfassung
Schlussendlich ist zu sagen, dass es in jedem Teilbereich des Skilanglaufmaterials, ob Ski,
Bindung, Stock oder Schuh, immer mehr Innovationen gibt und Grundprinzipien des Leichtbaus angewandt werden. Angefangen beim Material wird hierbei mehr und mehr versucht auf
Leichtbaumaterialien wie Carbon, Basalt oder Schaum zurückzugreifen und dennoch gute mechanische Eigenschaften zu ermöglichen. Das Problem dabei ist nicht das Verbauen von Carbon, sondern der Preis im Gegensatz zu Holz, Schaum oder der Glasfaser. So wurde zwar der
heutige mögliche Stand des Materials gezeigt, jedoch kommen diese vorwiegend durch ihren
Preis nur im Spitzensport oder bei ambitionierten, wohlhabenderen Sportlern und Sportlerinnen zum Einsatz. Die Mehrheit der Langläufer und Langläuferinnen im Breitensport verwendet
billiges Material, was natürlich auch nicht diese verbesserten Eigenschaften besitzt. Abgesehen vom Material stellt ganz besonders der Kern ein ideales Beispiel im Leichtbau dar. Die
Waben- oder auch Wellenstruktur bietet die nötigen Eigenschaften für den Kern bei dennoch
großem Hohlraum. Additiv halten diese Konstruktionen länger, im Gegensatz zu Schaumkernen. Bei den Formen des Langlaufmaterials hat sich relativ wenig geändert. So ist der Ski in
der Grundform in den letzten Jahrhunderten relativ ähnlich geblieben und wurde nur in vielerlei Hinsicht optimiert, wie der Spannung, dem Kurvenverlauf, der Breite, Dicke und Höhe.
Eine Ausnahme wären jedoch Innovationen wie das Loch bei den neuesten Langlaufski der
Marke Fischer Sports oder ein bestimmtes Design bzw. Konstruktion des Skis, die erst durch
eine 3D Konstruktion und einer Cap-Bauweise ermöglicht wurde. Bei den Langlaufbindungen
haben sich das NNN- und SNS-System heraus kristallisiert und gehört mit den Schuhen zu
den modernsten Teilen des Skilanglaufmaterials. Wurde früher noch mit normalen Winterschuhen gelaufen, welche mit einer Schnur am Ski fixiert waren, so haben heutige Langläufer und
Langläuferinnen Zugang zu hochkomfortablen, perfekt angepassten, überaus leichten Schuhen. Weiter spielen die neuen Bindungen perfekt mit dem Schuhen zusammen und bieten eine
ideale Kraftübertragung zwischen Körper und Ski. Einen Stock zum Langlaufen gibt es schon
fast solange wie den Ski selbst, mit den heutigen High-Tech Stöcken sind diese jedoch nicht
zu vergleichen. So wird vor allem im Schaft versucht eine möglichst gute Kraftübertragung mit
möglichst geringem Gewicht zu bieten, wohingegen beim Griff und der Schlaufe neben diesen
Eigenschaften noch der Komfort im Vordergrund steht. Bei allen Innovationen ist auch darauf zu
achten, dass zwar meistens ein paar Gramm gespart werden oder die Kraftübertragung etwas
besser funktioniert, was im Skilanglaufwettkampf wertvolle Sekunden bringen kann. Hobbysportler und Hobbysportlerinnen werden jedoch keinen Unterschied erkennen und bei vielen
Innovationen stellt sich die Frage, wie viel diese denn letztendlich dem Langläufer oder der
Langläuferin bringen. Alles in allem werden in allen Teilen des Skilanglaufmaterials Methoden
30
des Leichtbaus angewendet. Es wird versucht Konstruktionen einzubauen, die die nötige Stabilität bieten, dennoch großen Hohlraum aufweisen und somit ein niedriges Gewicht besitzen. Als
Beispiel wäre dazu der Nomex-Kern, der Schaum beim Langlaufschuh oder der Hohlraum im
Langlaufstock zu nennen. Beim Material wird hauptsächlich faserverstärkter Kunststoff verwendet, um den Anforderungen im Leichtbau gerecht zu werden. Besonders die Kohlenstofffaser
wird hierbei als Optimum gesehen, die im Vergleich zu anderen Faserarten zwar teurer ist,
jedoch in der Hinsicht auf ihre mechanischen Eigenschaften die besten Werte besitzt.
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9 Blick in die Zukunft
Leichter, besser, teurer. Unter diesen drei Wörtern könnte die Zukunft im Leichtbau zusammen
gefasst werden. Der Leichtbau wird immer wichtiger und überall wird versucht an Gewicht zu
sparen. Es werden Materialien verwendet, die noch besser Dichteeigenschaften aufweisen und
ebenso auf mechanischer Ebene, wie der Lebensdauer und Zuverlässigkeit dem Vorgänger
überlegen sind. Hauptprobleme der Zukunft liegen in der Findung neuer, moderner Herstellungstechnologien, die eine optimale Konstruktion durch leichtere Werkstoffe und mit Hilfe verschiedenster Fügetechnik ermöglicht. Folglich entstehen daraus Kosten, die wirtschaftlich nicht
mehr tragbar wären, wodurch ein Optimum bzw. eine Extremlösung (Vollcarbon) oftmals durch
einen billigeren Kompromiss gelöst werden muss. Der Vorteil liegt jedoch darin, dass Leichtbau
nicht nur im Skianglauf ein entscheidendes Thema ist, sondern in einer der größten Brachen,
dem Automobilbau und dem Flugzeugbau ein dominierendes Thema der Gegenwart ist. Diese
Treiben die Innovationen im Leichtbau voran und wie schon beim Wabenkern, könnte in Zukunft aus diesen Bereich der nächste größere Entwicklungsschritt für die Langlaufski kommen.
(Klein, 2013) Energieverbrauch ist dabei ein entscheidender Punkt, der zum großen Teil auch
mit der Masse zusammenhängt und dadurch die Entwicklung im Bereich Leichtbau maßgebend
fördern wird. Der große Unterschied ist dabei nur, dass das Weltmarktvolumen von Langlaufskiern im Vergleich zu dem der Automobilbranche nur einen winzigen Teil darstellt und deswegen
die Entwicklung weiterhin zögerlich verlaufen wird. Wenn es jedoch neue, bessere Compositewerkstoffe in führenden Weltmarktbrachen geben wird, dann wird es wahrscheinlich auch nicht
lange dauern bis diese dann im Langlaufstock, Ski, Bindung oder Schuh verbaut werden. Im
Vordergrund wird dabei jedoch auch wieder der Wirtschaftsnutzen stehen, der davon abhängig
ist, was die Leute in der Zukunft für einen optimalen Leichtbau-Langlaufski ausgeben werden
bzw. ob sie lieber zum einfachen, billigeren Modell greifen. Mehr Potential hingegen liegt in den
Produktionsfaktoren, der Konstruktion und im Belag des Skis bzw. des ganzen Skilanglaufmaterials. Kleine Temperaturänderung wie zum Beispiel beim Sinterungsprozess können dabei
grundlegend die Gleiteigenschaften des Langlaufskis bei verschiedenen Bedingungen positiv
oder negativ beeinflussen. CAD (computer-aided design) für die Cap-Bauweise beim Langlaufski ermöglichen Konstruktion, die bis jetzt noch nicht möglich waren. Eine entscheidende Frage
im Langlauf wird außerdem noch sein, welche Eigenschaften des Skis die Performance am
meisten beeinflussen. Ist es die Härte, die Vorspannung, das Gewicht, der Belag, die Stabilität
oder doch die Form? In dieser Hinsicht bedarf es noch weiterer Forschung.
32
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1 Beschleunigungskomponenten beim Skilanglauf . . . . . . . . . . . . . . .
3
Abbildung 2 Der “Ski von Hoting“ (links) und ein Lappe auf ungleich langen Skiern mit
Tellerstock und Jagdgerät (rechts) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
Abbildung 3 Bewegungsfolge des Diagonalschrittes bei klassischen Skilanglauf . . . . .
7
Abbildung 4 Bewegungsfolge des Eintakters beim Skating . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
Abbildung 5 Atomic „Skintec“-Steighilfe (a) und „Hole in the tip“ von Fischer Sports (b) .
11
Abbildung 6 Vergleich einiger Materialeigenschaften zwischen Kunststoffschäumen, Papierhonigwaben und Al-Honigwaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
Abbildung 7 3D Cap-Bauweise eines Skis der Firma Madshus (a) und eine Sandwichbauweise der Firma Fischer Sports (b) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
Abbildung 8 Spezifische Festigkeit und E-Modul verschiedener Werkstoffe . . . . . . . .
15
Abbildung 9 Formeln zum Flächenmoment, mit dem Widerstandsmoment Wx bzw. dem
axiale Flächenträgheitsmoment Ix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
Abbildung 10 Skatingski “EQUIPE RS MED/HARD“ der Firma Salomon . . . . . . . . . .
19
Abbildung 11 Klassikski “EQUIPE RC SKIN MED/HARD“ der Firma Salomon . . . . . . .
20
Abbildung 12 NNN-Bindungssystem der Firma Fischer Sports, links der vordere Teil der
Bindung, rechts die komplette Bindung mit eingespanntem Schuh . . . . .
22
Abbildung 13 SNS-Pilot-Bindungssystem der Firma Salomon . . . . . . . . . . . . . . . .
23
Abbildung 14 Klassikschuh „S-LAB CLASSIC“ der Firma Salomon . . . . . . . . . . . . .
25
Abbildung 15 Skatingschuh „S-LAB SKATE PRO“ der Firma Salomon . . . . . . . . . . .
27
Abbildung 16 Langlaufstöcke der Firma Leki mit Nahaufnahme des Schaffts (Mitte), dem
Griff mit der Schlaufe (links unten) und dem Teller mit der Spitze (rechts
unten) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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