Piezoelectric shunt damping for alpine ski traction improvement

The paper investigates the problem of improving driveability of alpine skis. That properties depend largely on the vibration behavior of a ski under different snow conditions. There is a broad range of methods to deal with vibration damping, both active and passive, that have been described in the literature. In this paper the passive approaches were taken into consideration. It is due to the specific nature of the sport where use of external sources of energy may be impractical. Passive shunt damping system has been designed for a commercially available model of an alpine ski. The performance of the designed system has been evaluated on a numerical model of the ski. Piezoelectric patches have been included in the model by means of a generalized impedance that complies both the mechanical properties and shunted circuit electrical properties. The fraction of strain energy stored in a piezoelectric element at particular vibration modes were used to evaluate the maximum damping coefficient for first three resonant modes that have the largest influence on the ski properties. The damping system is based on piezoelectric patches that can be easily embedded in the laminated structure of a ski.

W artykule przeprowadzono analizę możliwości poprawy własności jezdnych nart zjazdowych z wykorzystaniem materiałów piezoelektrycznych. Właściwości jezdne narty zależą w dużej mierze od ich własności dynamicznych i drgań wzbudzanych podczas jazdy w różnych warunkach śniegowych. Do tej pory podejmowano próby wykorzystania zarówno metod pasywnych jak i aktywnych dla poprawy trakcji. W artykule wzięto pod uwagę tylko metody pasywne, odrzucając metody aktywne ze względu na konieczność użycia zewnętrznego źródła zasilania co uznano za niepraktyczne w omawianym zastosowaniu. W artykule przedstawiono pasywny układ tłumienia drgań typu „shunt damping”, który został zaprojektowany dla wybranego komercyjnego modelu nart zjazdowych. Działanie zaproponowanego układu przeanalizowano na uprzednio z walidowanym modelu numerycznym. Wpływ elementów piezoelektrycznych oraz bocznikującego układu elektrycznego uwzględniono stosując metodę impedancyjną oraz posługując się uogólnionym współczynnikiem sprzężenia elektromechanicznego. Ułamek energii odkształcenia sprężystego danej postaci zawarty w materiale piezoelektryka został wykorzystany do wyliczenia możliwych do uzyskania maksymalnych współczynników tłumienia modalnego dla pierwszych trzech postaci, najbardziej znaczących z punktu widzenia własności jezdnych. System tłumienia drgań został tak zaprojektowany, aby mógł być w prosty sposób zaimplementowany w konstrukcji nart zjazdowych.