Analysis of skiing technique and comfort for paralympic sit-ski athletes

Paralympic alpine sit-skiing allows athletes with lower limb impairments to compete at a high level, but it also exposes the athlete to significant dynamic loads and mechanical vibrations. In conventional alpine skiing the lower limbs play a fundamental role in shock absorption and load modulation; in sit-skiing these functions are replaced by the suspension system integrated into the mono-ski frame. In this thesis, the athlete’s on-snow motion was analysed through a biomechanical analysis of the skiing movement, with data acquired directly on field. In addition, instrumented hammer tests were made to identify the main resonance frequencies of the ski used during competitions. Based on experimental data, a lumped-parameter dynamic model with five degrees of freedom was also developed to represent the behaviour of the device combined with the upper body segments. The use of anthropometric data from the literature ensured the validity of the model. The elastic and damping parameters of the suspension were identified through optimisation procedures based on the comparison between numerical and experimental power spectral densities (PSDs). The final model was then used to analyse different possible suspension configurations and to determine the optimal solution on the basis of Discomfort Index (DI), Road Holding (RH) and suspension Working Space (WS). This work provides a quantitative description of the dynamic interaction between the athlete and the mono-ski. The biomechanical analysis showed a main resonance of the seated athlete around 5 Hz and a second resonance around 10 Hz; moreover, the results indicate that the human body behaves as a low-pass filter for the vertical vibrations transmitted from the seat. The optimisation results for the suspension indicate that the system should be less stiff and more damped in order to reduce the vibrations transmitted to the athlete and improve comfort during skiing.

Lo sci alpino paralimpico con monosci permette agli atleti con disabilità agli arti inferiori di competere ad un alto livello, ma sottopone il soggetto a carichi dinamici importanti e a vibrazioni meccaniche. Nello sci alpino tradizionale gli arti inferiori hanno un ruolo fondamentale nell’assorbimento degli urti e nella modulazione dei carichi; nel sit-skiing queste funzioni sono sostituite dalla sospensione presente nel telaio del monosci. In questa tesi è stato analizzato il gesto dell’atleta sulla neve attraverso un’analisi biomeccanica del movimento, con dati acquisiti direttamente sul campo. Inoltre, prove con martello strumentato hanno permesso di identificare le principali frequenze di risonanza dello sci utilizzato durante le gare. Sulla base di dati sperimentali è stato anche sviluppato un modello dinamico a parametri concentrati con cinque gradi di libertà per rappresentare il comportamento del dispositivo combinato con i segmenti superiori del corpo. L’utilizzo di dati antropometrici del corpo umano ricavati dalla letteratura hanno garantito la validità di tale modello. I parametri elastici e di smorzamento della sospensione sono stati invece identificati tramite procedure di ottimizzazione basate sul confronto tra risultati numerici e sperimentali degli spettri di potenza. Il modello finale è stato infine utilizzato per analizzare diverse configurazioni possibili della sospensione e per ricavare l’ottimale sulla base di indice di discomfort, tenuta dello sci e spazio di lavoro della sospensione. Questo lavoro fornisce una descrizione quantitativa dell’interazione dinamica tra l’atleta e il monosci. L’analisi biomeccanica ha mostrato una risonanza principale dell’atleta seduto intorno a 5 Hz e una seconda risonanza intorno a 10 Hz; inoltre, i risultati indicano che il corpo umano si comporta come un filtro passa-basso per le vibrazioni verticali trasmesse dal sedile. Gli esiti dell’ottimizzazione della sospensione indicano invece che il sistema dovrebbe essere meno rigido e più smorzato al fine di ridurre le vibrazioni trasmesse all’atleta e migliorare il comfort durante la sciata.