引言

在滑雪比赛中，阻力会对结果产生重大影响。阻力部分主要来自于滑雪板和雪之间摩擦界面处的摩擦力，与许多摩擦过程一样，其来源的特性在决定摩擦性能方面起着重要作用。

近期，来自瑞典吕勒奥理工大学滑雪实验室的Kalle Kalliorinne和合著者Joakim Sandberg、Gustav Hindér、Hans-Christer Holmberg、Roland Larsson、Andreas Almqvist，在Lubricants 期刊发表文章，介绍了一种基于人工智能的模拟滑雪板的张力曲线、滑雪板和雪相互接触的新方法。该方法阐明了滑雪板和雪的接触方式，以及跨度曲线上的微小差异可能对压力分布产生很大影响。该项研究对于滑雪相关研究具有重要意义。 

图1. 文章概要。

研究过程与结果

当一个越野滑雪板被压在另一个物体上时，一个控制接触力学响应的模型必须考虑所涉及过程的多尺度和多物理性质。在这项工作中，滑雪板的倒塌/变形和相应的接触压力被认为涉及如上所述的宏观、中观和微观尺度过程。

图2. 接触力学中存在的尺度示意图。

本文采用的是经典式和自由式越野滑雪滑雪板接触力学响应的评价。第一步是解决滑雪板的宏观尺度变形问题，这包括滑雪弧度轮廓测量、训练和利用人工神经网络 (ANN) 对滑雪板的变形进行预测。在第二步中，将预测的滑雪板变形作为输入数值计算，并根据表观中尺度接触压力和面积来预测滑雪板的接触力学响应。最后进一步讨论了与载荷大小、位置和表面刚度对接触力学响应影响有关的结果。

图3. 使用滑雪选择器获取滑雪弧度轮廓的测量设置 (左)。本项工作中使用的经典滑板的尖端 (右)。

研究总结

本文提出的方法基于在不同载荷和载荷位置范围内测量滑雪板的张力曲线，使用在测量过程中收集的数据来训练人工智能，最终将其作为滑雪板的数字表示。本文主要发现如下：

1. 在给定的加载条件下，该模型能可靠地计算出表观接触面积和表观接触压力。

2. 模拟滑板的接触力学响应表明，随着载荷的增加，前摩擦界面的表观接触面积分裂为两个不同的区域。

3. 经典滑雪板的模拟接触力学响应表明，当载荷向前移动时，滑雪板的弧面会崩溃，然后一部分载荷被带入踢蜡区，导致三个载荷承载区。

4. 当负载约为滑雪者体重的一半时，前摩擦界面的表观接触面积有一个局部最大值，在更高的负载下几乎保持不变。

5. 当负载约为滑雪者体重的一半时，前后摩擦界面的平均表观接触压力最小。

6. 随着载荷的增加，表观接触面积的稳步增加，即使在模拟最坚硬的“雪”条件时 (即Ecounter = 400 MPa)，在超过滑雪者体重一半的载荷下，平均表观接触压力也限制在55 MPa以下。

Kalle Kalliorinne博士说：

“这意味着我们可以更准确地比较国家队和滑雪爱好者的滑雪板。我们知道，在许多其他摩擦学应用中，压力分布是非常重要的，因此，为了更好地了解滑雪板和雪之间的接触，能够对其进行表征也是很重要的。”

“有了数字表示，我们就可以模拟滑雪板的跨度曲线和虚拟雪之间的接触。”

此外，该研究小组还探索并解释了越野滑雪过程中滑雪板与雪之间接触的不同尺度会发生什么。

“下一步是模拟滑雪表面结构与雪之间的接触。我们将展示结构的选择如何影响微观尺度上的接触。” 

原文出自 Lubricants 期刊：

Kalliorinne, K.; Sandberg, J.; Hindér, G.; Larsson, R.; Holmberg, H.-C.; Almqvist, A. Characterisation of the Contact between Cross-Country Skis and Snow: A Macro-Scale Investigation of the Apparent Contact. Lubricants 2022, 10, 279.

Lubricants 期刊介绍

主编：Homer Rahnejat, University of Central Lancashire, UK

期刊主要发表摩擦学各个方面的相关原创理论性和实验性研究成果，主题领域包括但不限于：润滑、摩擦、磨损、气蚀和侵蚀、亚表面应力、疲劳剥落、点蚀、微点蚀、接触力学、表面科学、流变学，以及润滑的物理化学、边界活性物质、吸附和键合等。已被 SCIE 数据库收录。

2021 Impact Factor：3.584

2021 CiteScore：4.5

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Time to Publication：38 Days