Utilizzo del carbonio negli sci e snowboard

con particolare riferimento a Scialpinismo e Freeride:
caratteristiche,  vantaggi e svantaggi

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A partire dagli anni 2000 si è notevolmente diffuso l’utilizzo delle fibre di carbonio nella costruzione di sci  e snowboard in tutte le categorie: pista, gara, scialpinismo.
Questa diffusione ha portato ad alcuni vantaggi nelle caratteristiche tecniche degli sci,  ma c’è stata anche molta esagerazione, in gran parte dovuta alle  mode e agli interessi di marketing delle aziende produttrici.

In questo articolo ci dedichiamo in particolare  agli sci e snowboard per uso scialpinistico e fuoripista, cercando di mettere a fuoco i pro e contro dell’utilizzo delle fibre di carbonio.

Una costruzione particolarmente complessa da parte di Ogso Ski. Fonte: Ogso.

STRUTTURA DI UNO SCI O SNOWBOARD
Uno sci o snowboard è schematicamente  un’asta sottoposta a carichi di flessione longitudinale  e di torsione trasversale.
Per capire, si induce una flessione sugli sci per esempio quando li carichiamo con un movimento di piegamento sulle ginocchia ad inizio curva, o quando passiamo su una cunetta o avvallamento.

Flessione longitudinale dello sci sotto carico. Fonte: V.Nikitin

La torsione invece entra in gioco soprattutto nelle diagonali e durante le virate, quando si applica la presa sulla lamina dello sci o snowboard. Maggiore la velocità in curva, e maggiore la pendenza in diagonale, e più elevato sarà il carico di torsione applicato.

Torsione dello sci durante la presa di spigoli.

La costruzione dello sci (geometria e scelta e disposizione dei materiali) sarà definita dal progettista secondo le caratteristiche desiderate di flessione e torsione.
I maggiori produttori dispongono di sofisticati metodi di calcolo delle deformazioni dello sci o snowboard sotto carico e anche di sistemi sperimentali di misura.

Misura delle deformazioni tramite sensori. Fonte: N.Scott, Univ. W. Australia

Nella costruzione a sandwich si dispongono più strati di diverso materiale, come illustrato nella figura. Normalmente ci sono due fogli, uno superiore e uno inferiore, che avvolgono il core (parte centrale dello sci o anima) e conferiscono l’elasticità flessionale dello sci o snowboard, e in misura minore quella torsionale.
Nella figura questi due fogli sono indicati come “Torsion Layer” (superiore) e “Base Layer” (inferiore). Per avere uno sci rigido si aumenta la distanza tra i due fogli (ottenendo un maggiore momento d’inerzia flessionale) con l’ovvio  limite dato dallo spessore totale dello sci o snowboard.

 

Sezione trasversale di uno sci con schema di costruzione a sandwich. Fonte: Kunspiste

Questi fogli sono generalmente realizzati in tessuti di carbonio, decisamente da preferire nell’impiego scialpinistico per la leggerezza, o basalto, o kevlar, oppure in  leghe metalliche come il Titanal (una speciale lega di alluminio rinforzato) o leghe di titanio.
Le fibre di basalto offrono una rigidezza intermedia tra kevlar e carbonio, un carico a rottura quasi come il kevlar, ma densità (peso) maggiore.
Le fibre di kevlar assorbono le vibrazioni molto meglio del carbonio,  ma sono deboli in compressione (quindi nella flessione dello sci il foglio superiore potrebbe formare delle cricche o cedere sotto carico per instabilità).
I tessuti compositi vengono poi realizzati dal produttore annegando le fibre nella resina epossidica (matrice) o altre resine, come mostrato schematicamente nella figura.

La struttura più semplice di un composito: fibre longitudinali inserite in una matrice. Fonte: B.Tuberosa, Univ. Bologna

I compositi in  carbonio sono forniti  sotto forma di  fogli, o nastri,  dove le fibre (del tipo lungo) sono intrecciate tra loro a 0°-90° (per conferire resistenza  bi-assiale) oppure a 0°-45°-90° (resistenza  tri-assiale), o secondo trame più complesse,  poi inglobate in una matrice di resina epossidica e infine sottoposte a cicli di  polimerizzazione in forno o autoclave.
Le caratteristiche meccaniche del composito possono essere definite a piacere dal progettista, variando la tipologia di fibre e della matrice, la percentuale di fibre e di matrice, la trama, e il processo di polimerizzazione del composito (temperatura e durata del processo, eventualmente sotto vuoto in autoclave).

Un tessuto in fibra di carbonio, prima dell’impregnazione con la resina. Fonte: Vac Aero

Per il core (anima dello sci o snowboard) , nei modelli di gamma media e alta,  si utilizzano strisce  longitudinali di due (o più) legni diversi, incollate tra loro. La funzione del core è di rendere lo sci meno nervoso in flessione e di assorbire le vibrazioni;  il legno è un materiale eccezionale allo scopo.

Sci (con struttura sanwich) con core in legno, sono visibili ben 26 strisce. Fonte: FreeSkier.

Il costruttore sceglierà  il tipo di legno giusto per le caratteristiche desiderate. Tra le essenze più utilizzate: frassino, abete, pioppo, acero, oppure più recentemente paulownia (karuba) e bambù  per la leggerezza. I costruttori non cessano di cercare nuovi essenze, anche pregiate, come per esempio il peccio di Sitka, al top in quanto a  rapporto rigidezza/peso.
Ci sono comunque altre soluzioni per il core, per esempio il  nido d’ape (honeycomb), una complessa struttura in lega di alluminio o aramide che offre elevata rigidità pur essendo molto leggera.
Per sci e sbowboard di fascia economica è molto comune l’utilizzo di schiuma poliuretanica.

                                                           
A sinistra: core honeycomb in Nomex (aramdide). Fonte: Ski Trab. A destra: schema della struttura honeycomb a nido d’ape. Fonte: Gearx.

La costruzione a sandwich è chiusa dai fianchi dello sci (sidewall) che devono avere almeno tre funzioni: conferire la necessaria rigidezza torsionale, offrire un solido supporto alle lamine, e proteggere gli sci durante l’uso. Il materiale più comune per i fianchi è l’ ABS, un polimero termoplastico ad alta densità che offre le caratteristich richieste, al prezzo però di un peso piuttosto elevato.

Nella costruzione cap il foglio superiore va a costituire anche i fianchi dello sci contribuendo perciò alla rigidezza sia flessionale che torsionale.
Nella  costruzione ibrida o semi-cap, il foglio superiore copre i fianchi soltanto nelle zone di punta e coda dello sci, mentre la zona centrale è realizzata con la struttura a sandwich e fianchi separati.

Costruzione di uno sci di tipo “Cap” (il guscio “Full Pure Carbon Torsion Box” si estende sui fianchi fino alle lamine). Fonte: Goode.

Per completare la costruzione, oltre all’inserimento delle lamine, si inseriscono uno o più fogli  (o fili o tubi) di materiale ad hoc per l’assorbimento delle vibrazioni, un’ eventuale lamina metallica a supporto della zona delle viti degli attacchi, la soletta,  e il top sheet (finitura superiore dello sci o snowboard con relativa serigrafia).

Le fibre di carbonio, se utilizzate come sopra menzionato, sono un’ottima scelta per conferire la voluta rigidezza flessionale e contenere la massa dello sci o snowboard, considerando anche che si possono inserire esattamente dove lo richiede il progettista, in misura variabile sulla lunghezza dello sci.
In alternativa, le fibre di vetro sono state ampiamente utilizzate prima della diffusione della tecnologia del carbonio, e sono ancora oggi presenti negli sci e snowboard di gamma media e bassa. Naturalmente, le fibre di vetro hanno caratteristiche meccaniche nettamente inferiori e aumentano di parecchio la massa dello sci.

Le fibre di carbonio sono perciò un materiale straordinario nella costruzione di sci e snowboard, a condizione di utilizzarlo solo dove serve e nella misura opportuna, senza esagerare, e ciò per almeno tre ragioni:
a)  al fine della migliore risposta dinamica in flessione è utile avere anche una parziale collaborazione dell’anima in legno, soprattutto per ottenere uno sci meno nervoso;
b)  la massa totale dello sci o snowboard non dovrebbe scendere sotto una soglia minima  che dipende dalla massa dello sciatore e dal tipo di neve e terreno: uno sci o snowboard troppo leggero  non ha l’inerzia sufficiente per contenere l’ampiezza del movimento di riposta dinamica, e si perde molta stabilità, specialmente ad alta velocità (questa considerazione non si applica agli attrezzi per le gare di scialpinismo, dove conta sopratutto la leggerezza);
c) le fibre di carbonio assorbono poco le vibrazioni ad alta frequenza (tipiche della sciata su neve dura), quindi le trasmettono in parte allo sciatore, per cui la sciata diventa poco precisa e anche stancante.

Sul punto c) occorre una precisazione. Ci sono molte pubblicazioni (specialmente su web) che affermano il contrario, ossia che il carbonio smorza le vibrazioni. In realtà  si confondono le normali deformazioni dello sci sotto carico (che sono effettivamente ridotte con un largo utilizzo di fibre di carbonio)  con le vibrazioni, che sono oscillazioni ad alta frequenza,  generate dal comportamento dinamico del sistema sci-sciatore sulla neve.
In pratica, provando uno sci ad alto tenore in fibre di carbonio, si può avvertire immediatamente che “si muove di meno” (le deformazioni sono di ampiezza ridotta), ma in effetti vibra di più (le micro vibrazioni ad alta frequenza sono assorbite meno efficacemente  o non lo sono affatto).

Per quanto riguarda la durata dei nostri sci o snowboard, generalmente le sollecitazioni subite dagli attrezzi restano ben al di sotto del carico di rottura dei materiali impiegati nella struttura. Tuttavia, nel caso delle fibre in carbonio,  un carico eccezionale (per esempio, a fronte di atterraggio su neve dura dopo un salto) potrebbe provocare una rottura di tipo fragile (perciò improvvisa) del foglio in carbonio.
Con i fogli in Titanal invece, si avrebbe una deformazione plastica (con assorbimento di energia) prima della eventuale rottura.

Applicazione del top sheet presso la fabbrica artigianale Wagner Skis. Foto B.Rasmussen

In alcune pubblicazioni si cita la possibile rottura a fatica. Ciò è da escludere poiché le sollecitazioni negli sci sono quasi sempre inferiori al limite di fatica dei materiali impiegati ed è improbabile che si verifichi una situazione di carico ciclico continuo sui valori del limite di fatica.
In pratica, la maggiore probabilità di danni irreparabili nel tempo è relativa allo scollamento del sandwich o alla deformazione delle lamine.

Per quanto riguarda le caratteristiche fisiche e meccaniche dei compositi fibre di carbonio – resina epossidica, al variare della temperatura, non ci sono effetti significativi  nel range di normale utilizzo (-30°C + 20 °C).

L’umidità dell’ambiente e il contatto con l’acqua contenuta nella neve, possono alterare le proprietà fisiche di alcuni polimeri e del legno, a lungo termine; tuttavia, si tratta di effetti poco influenti nell’ambito della durata media di utilizzo degli sci. L’assorbimento di acqua dei compositi potrebbe invece avere un impatto durante la produzione in fabbrica,  se i materiali venissero conservati per lungo tempo in ambiente umido, cosa che però non avviene nei siti di produzione ben controllati.

Più importanti potrebbero essere gli effetti dei raggi UV sui compositi; a tal fine essi sono sempre inseriti all’interno dello sci, totalmente protetti.

CONCLUSIONE
In base alle considerazioni tecniche sopra esposte e alla esperienza sul campo del nostro staff e collaboratori, possiamo concludere che l’utilizzo nella giusta misura delle fibre di carbonio nella costruzione di sci e snowboard è certamente vantaggioso,  specialmente per uso scialpinistico, grazie alla possibilità di avere ottime caratteristiche pur con una massa contenuta, e ciò anche con gli sci più larghi (oltre 100 mm  sotto il piede).
Meglio invece diffidare dell’ impiego eccessivo di fibre di carbonio soltanto con l’obiettivo della massima leggerezza, o per offrire un prodotto alla moda a prezzi inutilmente elevati.

 

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