Punktmassenmodell zur Simulation einer Bobfahrt

In der olympischen Sportart Bob werden Wettbewerbe bei Gesamtfahrzeiten im Bereich von 60 Sekunden oftmals nur durch Fahrtzeitunterschiede von Hunderstelsekunden entschieden. Die technische Leistungsfähigkeit der Geräte, die physische Leistung der Athleten am Start und das fahrerische Können des Piloten während der Abfahrt müssen somit gleichzeitig bis in kleinste Details optimiert werden, um Erfolge im nationalen und internationalen Rahmen zu erzielen. Zum besseren Verständnis der physikalischen Zusammenhänge kann der Bob als Punktmasse simuliert werden, auf die während des Starts die variable Anschubkraft der Athleten wirkt. In der Bahn wird der Bob von Strömungs- und Reibungskräften gebremst. Die Topologie der Bahn wird als Höhenkoordinate in Abhängigkeit des Fahrwegs abgebildet, wodurch eine lokal veränderliche Hangabtriebskraft wirkt. In den Kurven ist der Bob Fliehkräften ausgesetzt, die sich aus Geschwindigkeit und Kurvenradius ergeben und zu einer erhöhten Kufenaufstandskraft führen. Mit diesem einfachen analytischen Modell gelingt es, mit Kenntnis der aerodynamischen Eigenschaften (z.B. aus Windkanalversuchen) durch Variation des Anschubkraft-Weg Verlaufs und Anpassen des Coulomb'schen Reibkoeffizienten die bei einer realen Fahrt gemessenen Start-, Zwischen- und Zielzeiten und Fahrtgeschwindigkeiten hinreichend genau nachzustellen. Das wird im Vortrag anhand von Daten der Olympischen Winterspiele 2014 in Sotschi gezeigt. Durch den Vergleich mit während einer Meßfahrt in Winterberg aufgezeichneten Kufenaufstandskräften kann die Eignung des Punktmassenmodells noch detaillierter untersucht werden. Die Punktmassensimulation liefert für die Geräteentwicklung wichtige Informationen zur Aufteilung der Fahrtverluste in Aerodynamik und Reibungsanteil für eine spezifische Bobbahn. Durch Variation von Parametern wie Bobmasse oder Widerstandsbeiwert kann der Einfluß technischer Veränderungen auf die Fahrtzeit abgeschätzt werden. Die Variation von Anlauflänge und Kraft-Weg- sowie Kraft-Geschwindigkeits-Verlauf der Anschubkraft liefern wichtige Hinweise zur Optimierung des Bobanschubs innerhalb spezifischer Grenzen (Bedingungen). Die Aussagekraft der Rechnung läßt sich weiter erhöhen, wenn statt der Bahnlinie aus Konstruktionsdaten der Bobbahn die reale Fahrlinie des Bobs aus Meßfahrten rekonstruiert und zur Simulation verwendet wird.
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Subjects: sports equipment design and construction of sport equipment optimization construction bobsledding mathematic-logical model aerodynamics
Notations: technical and natural sciences technical sports
Published in: 1. Snowstorm Konferenz
Published: 2017
Document types: electronical publication
Language: German
Level: advanced