요약
어느 스포츠에서나 장비의 미세 조정은 경기의 승패에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 스키와 스노보드의 세계에서 스키 또는 보드의 날카로움이 퍼포먼스에 큰 영향을 미칩니다. 완주 시간의 범위가 좁아지고 모든 변수의 영향력이 커지는 최고 수준의 경기에서는 날카로움의 정밀한 차이가 가지는 중요성은 더욱 커집니다. 새로운 수준의 날카로움 정확성과 스키 에지의 표면 및 조건 저항을 측정하기 위해 Worcester Polytechnic Institute Sports Engineering Lab에서는 매우 정밀한 3D 스키 에지 이미징 및 측정이 가능한 기기를 설계하고 시제품을 제작했습니다.
이 기기의 목적은 스키 및 스노보드 에지의 날카로움을 기능성 및 기하학적 특성의 2가지 방법으로 측정하여 에지의 기하학적 특성이 퍼포먼스에 어떤 영향을 미치는지에 대한 이해를 넓히는 것입니다. 이 측정은 에지 및 준비 방법을 평가하는데 사용되어 경기뿐만 아니라 스키 제조 및 일반 스키 관리 측면에서도 중요하게 활용됩니다.
방법
현재 스키 에지 날카로움을 평가하는 방법은 촉감을 기반으로 하는 질적, 주관적 평가입니다. 이 새로운 기기는 얼음이나 눈 시뮬레이션 소재와 같은 부하 소재를 특정 각도로 에지에 부착한 후 에지와 수직 및 평행하는 방향으로 움직임을 생성하는데 필요한 부하를 측정하는 것으로 에지의 날카로움을 판단합니다. (그림 1) 기하학적 특성 측정과 곡률 계산은 스케일과 에지 상의 위치 함수를 기준으로 진행됩니다. 상관관계는 퍼포먼스의 선형 회귀 분석 대 스케일에 따른 곡률의 함수로 계산됩니다. 스키 에지는 레이저 스캐닝 컨포칼 현미경(OLYMPUS LEXT OLS4100)을 사용하여 측정합니다. 곡률은 Heron 방식을 사용하겨 계산합니다. (Gleason at al. 2013)1.
퍼포먼스 측정의 기본 원리
WPI Sports Engineering Lab에서 개발한 스키 에지 측정 기기는 장비 제조업체, 스키 시설, 선수, 코치진에게 스키와 스노보드 에지를 전혀 새로운 수준의 정확도로 측정할 수 있는 수단을 제공하기 위해 개발되었으며, 에지와 평행 및 수직 방향의 슬라이드 저항을 측정하는 것이 가능합니다. LEXT OLS4100가 적용된 이 기기는 스키 에지 측정을 위한 3D 지형을 생성하여 에지 곡률의 직접 측정 및 특성 캡처가 가능합니다.
 그림 1: 기기 퍼포먼스 측정의 기본 원리 |
탄젠트-일반 힘의 비율, T/N
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적정 에지 거칠기의 중요성
스키 또는 스노보드 에지의 날카로움은 퍼포먼스 측면에서 중요한 역할을 수행합니다. 에지가 날카롭지 않으면 레이싱 뿐만 아니라 레저용 스키에서 컨트롤 문제를 야기할 수 있습니다. 미국 동북부 지역에서 종종 일어나는 얼음과 같이 단단한 표면 조건이 있을 경우, 날카롭지 않은 에지의 컨트롤 문제는 더욱 부각됩니다. 레이싱 스키 부문의 경우, 에지를 더욱 날카롭게 만들어 스키가 날카로운 각도에서 고속으로 컷팅이 가능하도록 만듭니다. 에지가 날카로워짐에 따라 고려해야 하는 요소 중 하나는 스키 사용 및 취급 시 부상을 당할 수 있기 때문에 신경써서 관리해야 한다는 점입니다.
스키의 기계가공 비유
 그림 2: 매우 날카로운 스키 에지를 통해 가능한 스키딩 | 스키 에지 거칠기와 스키 퍼포먼스 간의 관계에서 스키의 눈 부하는 기계 가공에 비유할 수 있습니다. 스키딩(스키를 사용하여 매우 큰 각도로 눈 위를 컷팅 (그림 2))하는 것은 컷팅 작업과 유사하하며, 스키가 도구, 눈이 가공물로 비유할 수 있습니다. 스키의 회전력은 도구의 컷팅력과 같으며, 스키 에지의 각도(스키딩 시 90° 이상)은 도구의 경사각과 같습니다. 스키의 날카로움은 도구의 날카로움과 같으며, 눈을 스키딩/가를 때(컷팅)할 때 스키가 버틸 수 있는 에지 각도(경사각)를 제한하는 요소이기도 합니다. |
스키 에지 곡률
새로운 스키 에지 이미징 및 측정 기기의 개발 과정은 WPI Sports Engineering Lab의 측정 전문가인 Dr. Christopher Brown의 주도 아래 매우 정밀하게 스키 에지 거칠기를 관찰 및 분석하여 스키 에지 곡률을 측정하는 새로운 방법을 찾는 것을 목표로 설정했습니다. 레이저 스캐닝 컨포칼 현미경 시스템(Olympus LEXT OLS4100(그림 4))을 사용하여 최적의 스키 에지 관찰을 가능하게 하는 어셈블리 구조(그림 3)을 조합하는 것으로 Brown 박사와 그의 연구팀은 정확하게 스키 에지 곡률을 측정하는 것으로 스키 에지 날카로움을 측정하는 새로운 방법을 연구하고 있습니다.
 그림 3: WPI 제조 연구실의 프로토타입 어셈블리. 에지 날카로움 구성은 스키 에지의 수직 방향 저항을 테스트합니다. 부하 프레임은 회전하여 스키 에지의 평행 방향 저항도 테스트할 수 있습니다. |  그림 4: OLYMPUS LEXT OLS4100 레이저 스캐닝 컨포칼 현미경. |
거칠기 이미지 및 분석
이 새로운 스키 에지 측정 시스템은 스키 에지 곡률의 3D 지형 이미지를 생성 및 분석할 수 있는 수단을 제공합니다. 이 시스템의 유효성을 보여주기 위해 WPI Sports Engineering Lab은 다양한 샤프닝 기술을 사용하여 다음의 스키 에지 이미지들을 캡처 및 분석했습니다. 용어는 표준 스키 에지를 기준으로 합니다. (그림 5)
 그림 5: 이 그림은 표준 스키 에지의 기본 레이아웃과 용어를 설명합니다. |  그림 6: 수정되지 않은 스키 에지의 프로필. |
 | 파일을 사용하여 샤프닝된 동일한 스키 에지. 샤프닝은 교차 방식(베이스 에지와 사이드 에지 사이를 교차)을 사용하여 서로 다른 샤프닝 기구 사이의 표면 거칠기를 비교할 수 있도록 했습니다. |
 | 거친 다이아몬드 스톤을 사용하여 샤프닝된 같은 스키 에지. 샤프닝 이후 에지 끝단 절삭물의 방향이 교차 방식 스키 샤프닝으로 인해 바뀌었습니다. |
 | 일반적으로 전문 스키 선수들은 상기 설명한 교차 방식으로 스키를 샤프닝하지 않습니다. 그 대신 베이스 에지의 샤프닝을 완료한 이후 사이드 에지를 샤프닝합니다. 이를 통해 절삭물이 베이스 에지와 평행을 이루는 방향이 아닌 스키 에지와 평행을 이루는 방향으로 형성됩니다. 상기 이미지는 파일을 사용한 표준 샤프닝 방식이 적용된 스키의 에지입니다. 스키 에지 표면에 일정하지 않은 부분이 선명하게 보이며, 에지에서 삐뚤어진 절삭물(버)을 발견할 수 있습니다. |
 | 세라믹 스톤을 사용한 추가 표준 샤프닝 방식을 진행한 후의 동일 스키 에지. 추가적인 공정을 통해 표면이 매끄러워졌으며, 삐뚤어진 절삭물의 수도 감소했습니다. |
결론
이러한 3D 지형 이미지를 사용하여 Brown 박사와 그의 연구팀은 스키 에지 샤프닝과 관련하여 다음의 결론을 얻을 수 있었습니다.
- 샤프닝 방식(교체 vs. 표준)은 스키 에지 끝단의 절삭물 방향을 결정합니다.
- 절삭물은 방향 전환 시 접지력을 향상시키는 효과가 있으나, 직선 주행 시 마찰을 일으켜 속도를 낮추는 단점을 가지고 있습니다.
- 파일만으로 샤프닝한 스키는 샤프닝을 하지 않은 스키보다 매끄러운 표면을 가집니다.
- 스톤으로 샤프닝한 스키는 파일만으로 샤프닝한 스키보다 매끄러운 표면을 가집니다.
- 표준 파일을 사용하여 샤프닝을 시작한 후 전문적인 스톤을 사용하여 샤프닝을 이어가는 점진적 시스템을 사용하는 것이 스키 에지 표면 거칠기를 크게 감소시켜 부드러운 스키 주행을 가능하게 합니다.
요약
이 새로운 장치에서 허용하는 곡률 이미지 및 에지 측정 수준은 곡률 대 위치 및 스케일 계산이 가능한 지형에 대한 3D 컨포칼 현미경 관찰과 특허 등록을 진행 중인 시스템만이 실행할 수 있는 새로운 계산 방식을 통해 얻습니다. 곡률은 스케일과 위치에 따라 달라지기 때문에 과거에는 곡률 특성 캡처가 매우 까다로웠습니다. 새로운 스키 에지 측정 시스템을 통해 WPI Sports Engineering Lab은 멀티 스케일 위치별 곡률 특성 캡처 연구를 진행하고 있습니다. 이 새로운 시스템은 에지와 수직을 이루는 스키딩과 에지와 평행을 이루는 스키딩의 스키 에지 저항을 측정하도록 설계 및 개발되었습니다. 임시 특허가 신청된 상태입니다.
1Gleason, M. A., Kordell, S., Lemoine, A., Brown, C. A. (2013) Profile curvatures by Heron’s formula as a function of scale and position on an edge rounded by mass finishing. 14th International Conference on Metrology and Properties of Engineering Surfaces, Taiwan 17-21 June 2013.
