Kraftmessung an einer Slackline

Transkript

1 Florian Hairer 1, Demian Geyer 2 Kraftmessung an einer Slackline Experimentelle Bestimmung von Kräften in einem Slacklinesystem mittels Dehnmessstreifen (DMS) 1 Christian-Doppler-Laboratorium für Werkstoffmechanik von Hochleistungslegierungen - Lehrstuhl für Werkstoffkunde und Werkstoffmechanik, Technische Universität München, Boltzmannstraße 15, Garching 2 Lehrstuhl für Sportwissenschaft, Universität Regensburg, Universitätsstraße 31, Regensburg

2 1 Einleitung und Motivation Der Sport Slacklinen, das Balancieren auf einem Flach- oder Schlauchband, erfreut sich seit einigen Jahren einer wachsender Anhängerzahl. Das vermehrte Betreiben dieses Sports, wie auch die dadurch entstandene Vielfalt an Arten des Aufbaus machen eine Untersuchung der real wirkenden Kräfte in einem Slacklinesystem sehr interessant. Durch dieses Messen der Kräfte kann bei einem Aufbau gezielter auf Schwachstellen eingegangen werden bzw. die mechanischen Berechnungen verfeinert werden. 2 Experimente Die Experimente wurden mit verschiedenen Slacklinematerialien (verschiedene Bänder) durchgeführt. Eine Auflistung der verwendeten Bänder und deren mechanische Eigenschaften findet sich in Tabelle 1. Tabelle 1: Verwendete Bänder und ihre mechanischen Eigenschaften Band Hersteller Dehnung Bruchlast [%] [N] Control Slackstar Stream Slackstar Rodeo Slackstar ca Messaufbau Der Messaufbau bestand aus einem normalen Slacklineaufbau, bestehend aus zwei Fixpunkten (Betonsäulen mit Schwerlastschlingen und Stahlschäkel). An einem wurde die Slackline mittels einer vernähten Schlaufe am Lineende und am anderen eine Ratsche (Slackstar Superlink, mit Spacer) befestigt. Zwischen Ratsche und Fixpunkt wurde die zur Kraftmessung verwendete Kraftmessdose mittels Schäckel befestigt. Für die Line Rodeo wurde wegen der großen Dehnung zum Vorspannen ein Flaschenzug im System appliziert. Abbildung 1 zeigt den Aufbau mit und ohne Flaschenzug. Abbildung 1: Messaufbau ohne und mit Flaschenzug Die vergleichenden Versuche der verschiedenen Bänder wurden mit einer Systemlänge von 14,30 Metern durchgeführt. Die Systemlänge wurde mit dem Band Control variiert und 2

3 dabei eine Länge von 9,60 m und 14,30 m getestet. Die Vorspannung für alle Versuche wurde mittels der Ratsche aufgebracht, welche so fest wie möglich angezogen wurde. Für die Versuche zu den Bändern und Längen wurde die Kraft durch einen Slackliner (Demian Geyer, 65 kg) in das System eingebracht. Für die Sturzvermessungen mit der Line Control wurde der Aufbau ohne Flaschenzug in einer Höhe von 5 Metern und eine Länge von 9,60 m gewählt und dabei der Sturzort (Sturz in der Nähe des Fixpunktes oder in der Mitte der Line) und die Sturzhöhe (Leash- Länge, Leash: eng. Leine, gemeint ist die Sicherheitsleine zwischen Highliner und Line) verändert.bei den Sturzversuchen wurden 80 kg Stahlgewichte von Linehöhe aus in die Leash geworfen. 2.2 Kraftmessung Für die Kraftmessung wurde eine Kraftmessdose gebaut welche aus einem Stahlbolzen mit einer Dicke von 20 mm, zwei Adaptern und drei Vollbrücken aus Dehnmessstreifen (DMS) besteht. Die zusammengesetzte Messdose, wie sie in dem Aufbau verwendet wurde, wird in Abb. 2a gezeigt. Abbildung 2 b-d zeigt die demontierte Dose. Abbildung 2: Messdose die zur Kraftmessung verwendet wurde Die Messdose wurde mittels einer Standard-Zugprüfmaschine kalibriert. Dazu wurde eine Stufenbelastung in 2 kn Schritten bis zu einem maximal Wert von 25 kn belastet und wieder entlastet. Die eigentliche Kraftmessung ist ein Durchschnittswert aus den Messsignalen der drei Vollbrücken. In Abb. 3 sieht man die Stufenbelastung die zur Kalibrierung verwendet wurde. 3

4 Abbildung 3: Kalibrierung zwischen 0 und 11kN Das Messsignal wurde durch einen Messverstärker des Typs Spider8 der Firma HMB Messtechnik erfasst und durch die Messtechnik-Software cateman R der selben Firma auf einem Standard-PC weiterverarbeitet und gespeichert. Die Auswertung der Versuche wurde mittels Microsoft Excel durchgeführt. 3 Ergebnisse Für den Vergleich von Bändern mit verschiedener Dehnung wurde eine Systemlänge von 14,30 m gewählt. Aus Abb. 4 ist ersichtlich, dass die Vorspannung für die Line Control bei ca. 5 kn lag während für die weicheren (mehr Dehnung) Lines nur eine Vorspannungskraft von ca. 3 kn erreicht wurde. Es ist auch zu sehen, dass die Belastung beim Gehen und Springen für die Fixpunkte mit höherer Dehnung der Line geringer wird. Dies ist weitgehend logisch, da durch die Dehnung in das System eingebrachte Energie absorbiert wird. Die Sprünge im Versuch zeichnen sich durch zwei Kraftpeaks aus: dem Absprung (erster Peak) und der etwas größeren Landung (zweiter Peak). Die weiteren Auslenkungen sind Abfangen und Ausgleichen des Slackliners. Wenn die Vorspannkraft im System am Ende der Messung geringer ist, liegt dies an einem Setzen (elastisches Entspannen) des Systems. Dies kann man bei fast allen Versuchen sehen. 4

5 Abbildung 4: Vergleich der getesteten Bänder Abbildung 5 zeigt das Verhalten der Line Control mit zwei verschiedenen Längen. Die Messungen zeigen ungefähr die selben Werte. Das kürzere System weißt allerdings ein stärkeres Setzverhalten auf, was aber nicht erklärt werden kann. Für die Klärung der Änderungen der Kräfte mit der Länge des Systems sollten weitere Versuche durchgeführt werden, wobei auf größer Längenunterschiede geachtet werden muss. Abbildung 5: Vergleich verschiedener Systemlängen 5

6 Die Sturzhöhe wurde durch die Länge der Leash variiert. Als Leash wurde ein Dynamikseil (Kletterseil) verwendet, welches mittels eines Karabiners an die Line montiert war. Die Stürze wurden in der Mitte der Line durchgeführt. In Abb. 6 sieht man, dass die Kräfte auf das System mit zunehmender Sturzhöhe zunehmen. Ein quantitativer Vergleich ist nicht möglich, da nicht für alle Versuche die selbe Vorspannkraft erreicht wurde. Dennoch ist die oben genannte qualitative Tendenz ersichtlich. Abbildung 6: Vergleich verschiedener Sturzhöhen Die Messungen mit unterschiedlichem Sturzort wurden mit einer Leashlänge von 150 cm durchgeführt. Aus Abb. 7 geht hervor, dass die Belastung durch einen Sturz in der Mitte der Line am höchsten ist. 6

7 Abbildung 7: Vergleich eines Sturzes in der Mitte und nahe des Fixpunktes einer Highline 4 Zusammenfassung Bei den durchgeführten Messungen der Belastungen in einem Slacklinesystem wurden sowohl die Bänder (Materialeigenschaften) sowie Längen der Bänder variiert. Hierbei stellte sich heraus, dass in einem steifen System (Band mit wenig Dehnung) höhere Kräfte auf die Fixpunkte wirken als in einem Weichen. Die Änderung der Länge führte zu keinem eindeutigen Ergebnis und sollte mit größeren Längenunterschieden wiederholt werden. Im zweiten Teil der Messungen wurden die Kräfte auf das System im Falle eines Sturzes in eine Leash gemessen. Dabei stellte sich heraus, dass ein Ansteigen der Sturzhöhe (Leashlänge) zu einem Ansteigen der Belastung im System führt. Bei weiteren Messung stellte sich heraus, dass ein Sturz in der Mitte der Line eine größere Belastung erzeugt als nahe dem Fixpunkt. Im Allgemeinen sind weitere Messungen und Experimente wünschenswert. Vor allem bei der Variation der Länge gibt es noch einige offene Fragen. Für weitere Messungen ist es außerdem unerlässlich die Vorspannung genauer einzustellen, dies könnte durch eine statische Messeinrichting wie einem Ringdynamometer oder einer Kranwaage seriell zur Messdose realisiert werden. Dem Dynamometer ist allerdings aus Gewichtsgründen der Vorzug zu geben. 7