Hostname: page-component-6766d58669-6mz5d Total loading time: 0 Render date: 2026-05-17T22:56:25.703Z Has data issue: false hasContentIssue false

The Kinetic Friction on Snow and Ice

Published online by Cambridge University Press:  30 January 2017

Daisuke Kuroiwa*
Affiliation:
Institute of Low Temperature Science, Hokkaido University, Sapporo, Japan 060
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Abstract

This paper presents many experimental data of friction between a slider and snow or ice in relation to ski-ing and skating. Measurements of the kinetic coefficient of friction μk for a metallic or plastic-resin ring in contact with a snow surface were made using an oscillograph. The mechanism of this friction was analysed through oscillograms showing frictional resistance between a slider and a snow surface together with observations of the real contact area between the surface of the slider and snow grains. It was shown that friction at low sliding speeds caused plastic deformation within snow, but, when sliding velocity was increased, a stick-slip friction occurred accompanying fractures and abrasions of snow grains. Since the laboratory experiment of friction on snow is limited to a range of low sliding speeds, the measurements of μk for high sliding velocities were made by the use of practical skis. The value of μK for practical skis increased from 0.03 to 0.1 as the speed increased from for velocities 5 to 22 m/s.

The measurements μk for skates were made using a specially designed device on skating rinks prepared both on natural lake ice and artificial ice. The temperature dependence of μk was studied for the blades of skates; μk showed a minimum value for both rinks around —1 to — °C, namely, 0.003 for the natural lake ice and 0.007 8 for the artificial rink ice.

Résumé

Résumé

La friction cinétique de la neige et de la glace. Get article présente de nombreux résultats expérimentaux sur la friction entre un modéle glissant et la neige ou la glace en relation avec le ski et le patin. Des mesures du coefficient cinétique de friction μk pour un anneau métallique ou plastique en contact avec la surface de la neige ont été réalisées à l’aide d’un oscillographe. Le mécanisme de cette friction a été analysé à travers des oscillogrammes montrant la résistance due au frottement entre un glisseur et une surface de neige ainsi que des observations d’une zone réelle de contact entre les surfaces du glisseur et les grains de neige. On a montré que le frottement à de faibles vitesses de glissement provoque des déformations plastiques dans la neige, mais que, lorsque la vitesse de glissement augmente un frottement avec rupture d’adhésion intervient avec des cassures et l’abrasion des grains de neige. Comme les expériences de frottement sur neige en laboratoire sont limitées aux basses vitesses de glissement, les mesures de μk pour des grandes vitesses de glissement furent faites en utilisant des skis réels. La valeur de μk pour des skis in situ augmentait de 0,03 à 0,1 lorsque la vitesse augmentait de 5 à 22 m/s.

Le mesure de μk pour les patins furent faites avec un appareil spécialement conçu à cet effet sur une patinoire préparée sur un lac naturel el sur de la glace artificielle. L’influence de la température sur μk a été étudiée pour les lames de patins: μk a pris des valeurs minimum dans les deux cas pour de la glace autour de —1° et —2°, exactement 0,003 pour la glace naturelle de lac el 0,0078 pour la patinoire artificielle.

Zusammenfassung

Zusammenfassung

Die kinetische Reibung auf Schnee und Eis. Dieser Bericht enthält viele Daten von Versuchen zur Reibung zwischen einem Gleitgerät und Schnee oder Eis im Hinblick auf Ski- und Eislauf. Der Koeffizient der kinetischen Reibung μk für einen Metall- oder Plastikring auf einer Schneefläche wurde mit Hilfe eines Oszillographen gemessen. Der Reibungsmechanismus wurde mit Oszillogrammen der Reibuugswiderstandes zwischen einem Gleitgerät und Schnee sowie aus Beobachtungen einer wirklichen Kontaktzone zwischen den Oberflächen des Gleitgerätcs und den Schneekörnern analysiert. Es zeigte sich, dass Reibung bei kleinen Gleitgeschwindigkeiten zu plastischen Verformungen im Schnee führt, dass aber bei grösserer Gleitgeschwindigkeit eine Haft- und Gleitreibung eintritt, mit der Risse und Abbruche der Schneekörner verbunden sind. Da Reibungsversuche im Labor auf kleine Gleitgesehwindigkeiten beschränkt sind, wurden die Messungen von μk bei hohen Gleitgeschwindigkeiten an wirklichen Skiern vorgenommen. Dabei wuchs μk von 0,03 auf 0,1 bei einer Steigerung der Geschwindigkeit von 5 auf 22 m/s.

Die Messung von μk für Schlittschuhe wurden mit einem eigens konstruierten Gerät auf Eisbahnen sowohl auf natürlichem See-Eis wie auf Kunsteis vorgenommen. Für die Schlittschuhkufen wurde die Temperaturabhängigkeit von μk untersucht, wobei sich minimales μk auf beiden Eisarten bei etwa — 1 bis —2°C ergab, nämlich 0,003 auf natürlichem See-Eis und 0,007 8 auf der Kunsteisbahn.

Information

Type
Research Article
Copyright
Copyright © International Glaciological Society 1977
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Fig. 1. Profile of snow compressed by running ski (after Huzioka).

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Fig. 2. Experimental device for measuring friction coefficients of snow.

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Fig. 3. Three types of oscillograms obtained at different sliding velocities.

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Fig. 4. Distribution of values of μk plotted against temperatures and velocities (after Huzioka): XA-type,B-type, ⚫ C-type.

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Fig. 5. Modes of fracture of snow columns subjected to uniaxial compression under various temperatures and velocities (after Kinosita) :X region A, plastically deformed,region B, interruptedly fractured, ⚫ region C, continuously fractured.

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Fig. 6. Photomicrograph of the frictional interfaces between snow and glass and methacrylic resin surfaces (after Huzioka).A.s, t, u show real contact areas (glass).B.icicles and flings produced by friction (methacrylic resin).

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Fig. 7. Change of μk of waxed and unwaxed skis against sliding velocities.

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Fig. 8. Relation between R and temperatures of rink ice (after Kobayashi and others).

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Fig. 9. Skate-frame and catapult (after Kobayashi and others).

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Fig. 10. Changes of distance travelled and velocity of a skate-frame plotted against temperatures (A) and time (B) (after Kobayaski and others).

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TABLE I. COEFFICIENT OF KINETIC FRICTION μk