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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Saite für einen Ballspielschläger, die ein superelastisches bzw. pseudoelastisches Material aufweist, sowie einen Ballspielschläger mit einer Bespannung, die mindestens eine Saite mit einem superelastischen bzw. pseudoelastischen Material aufweist.
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Saiten für Ballspielschläger wie zum Beispiel Tennisschläger, Squashschläger, Badmintonschläger, Racquetballschläger und dergleichen werden aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt. Ursprünglich bestanden Ballspielschlägersaiten aus Naturdarm, insbesondere Kuhdarm. Solche Naturdarmsaiten zeichnen sich noch immer durch hohe Elastizität und Spannungsstabilität aus. Sie sind allerdings auch sehr teuer und relativ witterungsempfindlich. Daher haben sich in erster Linie Kunst- oder Synthetiksaiten aus Nylon oder Polyester durchgesetzt.
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Grundsätzlich sind die Anforderungen, was die mechanischen Eigenschaften anbelangt, an Ballspielschlägersaiten relativ hoch und komplex. Ballspielschlägersaiten sollen über eine hohe spezifische Festigkeit, eine geringe Steifigkeit und eine große Bruchdehnung verfügen. Auch die Dämpfungseigenschaften sowie die Spannungsrelaxation spielen eine Rolle. Keines der bekannten Materialien für Ballspielschlägersaiten vermag all diesen Anforderungen im höchsten Maße gerecht zu werden.
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Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Material für Ballspielschlägersaiten bereitzustellen, mit dem sich die mechanischen Eigenschaften herkömmlicher Ballspielschlägersaiten allgemein verbessern oder gezielt verändern lassen.
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Die vorliegende Erfindung beruht dabei auf der Idee, eine Ballspielschlägersaite, insbesondere eine Saite für einen Tennisschläger, einen Squashschläger, Badmintonschläger oder einen Racquetballschläger, bereitzustellen, die aus einem superelastischen bzw. pseudoelastischen Material besteht oder ein superelastisches bzw. pseudoelastisches Material aufweist.
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Auch wenn die Verwendung eines superelastischen Materials mit seinem komplexen Spannung-Dehnungs-Verhalten für den Einsatz in einer Ballspielschlägersaite zunächst widersinnig erscheinen mag, so ergeben sich hier eine ganze Reihe von Vorteilen, die das Spielverhalten eines mit solchen Saiten bespannten Ballspielschlägers drastisch beeinflussen können.
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Zunächst ist die Zugfestigkeit von superelastischen Materialien wie zum Beispiel Nitinol um ein Vielfaches höher als die Zugfestigkeit von beispielsweise Naturdarm oder Polyester. Bei einer geforderten Reißkraft von beispielsweise Tennissaiten von 450 N lässt sich demnach der Durchmesser einer beispielsweise aus Nitinol bestehenden Tennissaite deutlich gegenüber herkömmlichen Saiten verringern, wie aus der folgenden Übersicht deutlich wird:
| Material | Zugfestigkeit | Dichte | Erforderlicher Saitendurchmesser | Saitenmasse |
| Naturdarm | 300 MPa | 1.35 g/cm3 | 1.40 mm | 2.07 g/m |
| Polyester | 400 MPa | 1.35 g/cm3 | 1.20 mm | 1.53 g/m |
| Superelastisches Nitinol S/BB (As = –15°C) | 1200 MPa | 6.5 g/cm3 | 0.69 mm | 2.43 g/m |
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Mit anderen Worten lässt sich bei gleicher Reißkraft der Durchmesser einer Nitinolsaite gegenüber einer Naturdarmsaite etwa um den Faktor 2 verringern, was beispielsweise einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Aerodynamik eines mit einer solchen Saite bespannten Ballspielschlägers hat.
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Ein weiterer Vorteil superelastischer Materialien liegt darin, dass sich die Zugsteifigkeit aufgrund des Phasenübergangs zwischen Austenit und Martensit massiv beeinflussen lässt. Basierend auf dem obengenannten erforderlichen Durchmessern für die Saite und den jeweiligen Elastizitätsmodulen ergeben sich die folgenden Zugsteifigkeiten:
| Material | Erforderlicher ∅ | Querschnittsfläche | E-Modul | Zugsteifigkeit |
| Naturdarm | 1.40 mm | 1.54 mm2 | 4 GPa | 11.3 kN |
| Polyester | 1.20 mm | 1.13 mm2 | 14.4 GPa | 16.3 kN |
| S/BB As –15°C (A) | 0.69 mm | 0.374 mm2 | 75 GPa | 28.1 kN |
| S/BB As –15°C (M) | 0.69 mm | 0.374 mm2 | 30 GPa | 11.2 kN |
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Im Falle von Martensit entspricht die Zugsteifigkeit der Nitnolsaite in etwa der Zugsteifigkeit der Naturdarmsaite, wohingegen sie im Falle von austenitischem Nitinol deutlich höher liegt. Der Vorteil von superelastischen Materialien liegt nun unter anderem darin, dass sieh die Zugsteifigkeit durch die Bespannungshärte des Ballspielschlägers, d. h. die auf die Saite aufgebrachte Vorspannung, bestimmen lässt, ob das superelastische Material in austenitischem oder martensitischem Zustand vorliegt, da das Phasendiagramm von superelastischen Materialien von der anliegenden Spannung abhängt.
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In der Regel tritt bei einem superelastischen Material unter zunehmender Zugspannung ein erster Phasenübergang auf, bei dem Austenit in Martensit umgewandelt wird. Sowohl unterhalb als auch oberhalb dieses Phasenübergangs verhält sich ein superelastisches Material im Spannung-Dehnungs-Diagramm im Wesentlichen linear. Im Bereich des Phasenübergangs selbst jedoch kann die Dehnung massiv zunehmen ohne dass die Spannung erhöht werden müsste, da hier die Dehnung auf einer Umwandlung von Austenit in Martensit beruht. Wird die angelegte Zugspannung wieder reduziert, so tritt ein zweiter Phasenübergang auf, bei dem Martensit in Austenit zurückverwandelt wird. Da dieser zweite Phasenübergang bei einer niedrigeren Zugspannung als der erste Phasenübergang auftritt, spricht man auch von einer Hysterese.
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Bevorzugt tritt der erste Phasenübergang des superelastischen Materials bei Raumtemperatur bei einer Zugspannung zwischen 250 MPa und 900 MPa, stärker bevorzugt bei einer Zugspannung zwischen 300 MPa und 800 MPa und besonders bevorzugt bei einer Zugspannung zwischen 350 MPa und 700 MPa auf. Unter der Zugspannung, bei der der erste Phasenübergang „auftritt”, ist im Kontext der vorliegenden Erfindung bevorzugt diejenige Zugspannung gemeint, bei der die Dehnung 3% beträgt. Im Fachjargon spricht man auch von oberer Plateauspannung.
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Bevorzugt tritt der zweite Phasenübergang des superelastischen Materials bei Raumtemperatur bei einer Zugspannung zwischen 50 MPa und 700 MPa, stärker bevorzugt bei einer Zugspannung zwischen 150 MPa und 650 MPa und besonderes bevorzugt bei einer Zugspannung zwischen 250 MPa und 600 MPa auf. Unter der Zugspannung, bei der der zweite Phasenübergang „auftritt”, ist im Kontext der vorliegenden Erfindung bevorzugt diejenige Zugspannung gemeint, bei der die Dehnung 2.5% beträgt. Im Fachjargon spricht man auch von unterer Plateauspannung.
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Bevorzugt ist die Differenz zwischen der Zugspannung, bei der der erste Phasenübergang auftritt bzw. einsetzt, und der Zugspannung, bei der der zweite Phasenübergang auftritt bzw. einsetzt, bei Raumtemperatur kleiner als 350 MPa, stärker bevorzugt kleiner als 300 MPa und besonders bevorzugt kleiner als 250 MPa.
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Bei dem erfindungsgemäßen Ballspielschläger lassen sich nun unterschiedliche „Arbeitspunkte” definieren, um die unterschiedlichen Eigenschaften des superelastischen Materials auszunutzen. Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ballspielschlägers lässt sich die Bespannung des Ballspielschlägers mit einer Vorspannung beaufschlagen, die größer ist als diejenige Zugspannung, bei der der erste Phasenübergang auftritt bzw. einsetzt. Mit anderen Worten richtet sich dieser Aspekt auf einen Ballspielschläger mit einer Bespannung, die mindestens eine Saite mit oder aus einem superelastischen Material im martensitischen Zustand aufweist. Wie sich aus den oben angegebenen Daten ergibt, würde die Zugsteifigkeit im Falle von Nitinol hier im Wesentlichen derjenigen einer Naturdarmsaite entsprechen. Dies ließe sich jedoch mit einem deutlich geringeren Saitendurchmesser von bevorzugt höchstens 1,1 mm, stärker bevorzugt von höchstens 0,9 mm und besonders bevorzugt von höchstens 0,8 mm erzielen.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ballspielschlägers lässt sich die Bespannung mit einer Vorspannung beaufschlagen, die kleiner ist als diejenige Zugspannung, bei der der erste Phasenübergang auftritt bzw. einsetzt. Mit anderen Worten richtet sich dieser Aspekt auf einen Ballspielschläger mit einer Bespannung, die mindestens eine Saite aus oder mit einem superelastischen Material im austenitischen Zustand aufweist. Es lässt sich die extrem hohe Zugsteifigkeit von beispielsweise austenitischem Nitinol (siehe oben) ausnutzen und dabei gleichzeitig der Phasenübergang des superelastischen Materials bewusst vermeiden. Hierzu ist es bevorzugt, dass die Differenz zwischen der Zugspannung, bei der der erste Phasenübergang auftritt bzw. einsetzt, und der Vorspannung, mit der die Bespannung beaufschlagt ist, bei Raumtemperatur größer als 100 MPa, stärker bevorzugt größer als 200 MPa und besonders bevorzugt größer als 300 MPa ist. Dieser Bedingung liegt die Idee zugrunde, dass die typischerweise während des Spielens des Ballspielschlägers auftretenden Kräfte nicht zu so hohen Spannungen innerhalb der Saite führen sollen, dass das Saitenmaterial in den Phasenübergang eintritt. Man erhält so eine relative steife Metallsaite mit einer hohen Festigkeit, die sich ansonsten aber wie eine herkömmliche Saite verhält.
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Im Allgemeinen hängt der Kraftanstieg in der Saite während eines Schlags stark von der Vorspannung, dem Bespannungsmuster, der Zugsteifigkeit der Saite und natürlich der Schlaghärte des Spielers ab. Unter extremen Bedingungen sind von professionellen Spielern Kraftanstiege in der Größenordnung von 200 N zu erreichen. In der Regel werden jedoch 150 N nicht überschritten. Bei einem angenommenen Kraftanstieg von 150 N ergibt sich bei einem Saitendurchmesser von 1,1 mm (d. h. von 0,95 mm2 Querschnittsfläche) ein Spannungsanstieg von 158 MPa. Beträgt der Saitendurchmesser lediglich 0,9 mm (d. h. 0,636 mm2 Querschnittsfläche) bzw. 0,8 mm (d. h. 0,502 mm2 Querschnittsfläche), so führt derselbe Kraftanstieg zu 236 MPa bzw. 299 MPa Spannungsanstieg in der Saite. Dementsprechend ist es für Saiten mit einem Durchmesser von über 1 mm bevorzugt, dass die Differenz zwischen der Zugspannung, bei der der erste Phasenübergang auftritt bzw. einsetzt, und der Vorspannung, mit der die Bespannung beaufschlagt ist, bei Raumtemperatur größer als 100 MPa, stärker bevorzugt größer als 125 MPa und besonders bevorzugt größer als 150 MPa ist. Für Saiten mit einem Durchmesser von unter 1 mm ist es bevorzugt, dass die Differenz zwischen der Zugspannung, bei der der erste Phasenübergang auftritt bzw. einsetzt, und der Vorspannung, mit der die Bespannung beaufschlagt ist, bei Raumtemperatur größer als 200 MPa, stärker bevorzugt größer als 250 MPa und besonders bevorzugt größer als 300 MPa ist.
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Gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform lässt sich jedoch die Bespannung auch mit einer solchen Vorspannung beaufschlagen, dass bei den üblicherweise auftretenden Kräften während des Spiels der Phasenübergang und besonders bevorzugt die komplette Hysterese des Phasenübergangs durchlaufen wird. Hierzu ist es bevorzugt, die Bespannung mit einer Vorspannung zu beaufschlagen, die kleiner ist als diejenige Zugspannung, bei der der erste Phasenübergang auftritt bzw. einsetzt, wobei zugleich die Differenz zwischen der Zugspannung, bei der der erste Phasenübergang auftritt bzw. einsetzt, und der Vorspannung, mit der die Bespannung beaufschlagt ist, bei Raumtemperatur kleiner als 400 MPa, stärker bevorzugt kleiner als 300 MPa und besonders bevorzugt kleiner als 200 MPa ist. Mit anderen Worten befindet sich das Saitenmaterial im austenitischen Zustand, jedoch knapp unterhalb des Phasenübergangs. Trifft nun ein Ball mit der üblichen Kraft auf die Bespannung des Ballspielschlägers, so gerät das Saitenmaterial in den Bereich des Phasenübergangs und verhält sich super- bzw. pseudoelastisch. Das heißt, die Saite erfährt eine Dehnung, ohne dass dafür eine Zunahme der Spannung erforderlich wäre, bis aller Austenit in Martensit umgewandelt ist. Dadurch lassen sich extreme Verformungen der Bespannung generieren, die unter anderem dazu führen können, dass die Bespannung eine Art „Tasche” bildet, die den Ball in großem Maße umgibt, und dadurch eine stärkere Kontrolle beim Spiel ermöglicht. Um hier einen möglichst großen Effekt erzielen zu können, ist es bevorzugt, dass die gesamte Hysterese durchlaufen wird. Daher sind bei dieser Ausführungsvariante insbesondere solche superelastischen Materialien bevorzugt, die eine sehr schmale Hysterese aufweisen. Bevorzugte Materialien mit einer solch schmalen Hysterese sind beispielsweise NiTi und NiTiFe.
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Angesichts der obigen Ausführungen zur Abhängigkeit des Spannungsanstiegs vom Saitendurchmesser ist es für Saiten mit einem Durchmesser von über 1 mm bevorzugt, dass die Differenz zwischen der Zugspannung, bei der der erste Phasenübergang auftritt bzw. einsetzt, und der Vorspannung, mit der die Bespannung beaufschlagt ist, bei Raumtemperatur kleiner als 200 MPa, stärker bevorzugt kleiner als 175 MPa und besonders bevorzugt kleiner als 150 MPa ist. Für Saiten mit einem Durchmesser von unter 1 mm ist es bevorzugt, dass die Differenz zwischen der Zugspannung, bei der der erste Phasenübergang auftritt bzw. einsetzt, und der Vorspannung, mit der die Bespannung beaufschlagt ist, bei Raumtemperatur kleiner als 400 MPa, stärker bevorzugt kleiner als 350 MPa und besonders bevorzugt kleiner als 300 MPa ist.
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Ein weiterer Vorteil vieler superelastischer Materialien ist die außerordentlich hohe Bruchdehnung von 10 bis 20%. Dies ist unter anderem deshalb von Bedeutung, da die Saiten beim Spannen mit Hilfe von Knoten fixiert werden, was zu hohen Bruchdehnungen führt. Materialien wie zum Beispiel Titan oder Stahl, welche ebenfalls hohe spezifische Festigkeiten erreichen können, verfügen in der Regel nur über geringe Bruchdehnungen von etwa 5%. Ein einfaches Abknoten solcher Saiten wäre praktisch nicht durchführbar.
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Die Bespannung des erfindungsgemäßen Ballspielschlägers kann eine oder mehrere Saiten aus einem nicht superelastischen Material aufweisen. Alternativ kann die gesamte Bespannung aus Saiten mit oder aus einem superelastischen Material bestehen.
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Eine oder mehrere Saiten des erfindungsgemäßen Ballspielschlägers können auch nur teilweise aus einem superelastischen Material bestehen bzw. dieses aufweisen. So können beispielsweise bestimmte Abschnitte entlang der Längsrichtung der Ballspielschlägersaite aus einem superelastischen Material bestehen oder ein superelastisches Material aufweisen, die von Abschnitten unterbrochen sind, die aus einem nicht superelastischen Material bestehen. Bevorzugt sind insbesondere diejenigen Saitenabschnitte, die im Zentrum der Bespannung angeordnet sind, superelastisch. Alternativ oder zusätzlich ist nur ein Teil des Saitenquerschnitts aus einem superelastischen Material ausgebildet. Insbesondere ist es bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Ballspielschlägersaite zumindest abschnittsweise hohl ist und das den Hohlraum umgebende Material superelastisch ist. Mit anderen Worten betrifft die vorliegende Erfindung auch eine Ballspielschlägersaite, die zumindest abschnittsweise aus einem superelastischen Mantel besteht, der einen (bevorzugt zylindrischen) Hohlraum umschließt.
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Bevorzugte superelastische Legierungen, die sich für den erfindungsgemäßen Ballspielschläger eignen, sind: NiTi, NiTiCr, NiTiFe, NiTiCo, NiTiCu, NiTiV, CuZnAl, CuAlNi, FeNiAl, FeMnSi. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Materialien beschränkt, da grundsätzlich auch andere (womöglich noch nicht bekannte) superelastische bzw. pseudoelastische Materialien für den erfindungsgemäßen Ballspielschläger zum Einsatz kommen können.
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Die vorliegende Erfindung richtet sich ferner auf die Verwendung eines superelastischen bzw. pseudoelasitschen Materials als Saite für einen Ballspielschläger, insbesondere für einen Tennisschläger, einen Squashschläger, einen Badmintonschläger oder einen Racquetballschläger. Bei besonders bevorzugten Verwendungen können dabei die oben als vorteilhaft diskutierten Merkmale zur Anwendung kommen.
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Die erfindungsgemäße Verwendung eines superelastischen Materials für eine Ballspielschlägersaite bietet eine Reihe von Vorteilen, wie aus den obigen Ausführungen ersichtlich sein sollte. Mit Hilfe von superelastischen Materialien lassen sich bei kleinem Durchmesser Saiten hoher Zugfestigkeit sowie hoher Zugsteifigkeit und großer Bruchdehnung herstellen. Des weiteren lässt sich der Phasenübergang zwischen Austenit und Martensit nicht nur dazu ausnutzen, die Zugsteifigkeit nach Bedarf einzustellen, sondern auch, um extreme Deformationen der Saite bei Durchlaufen der Hysterese zu ermöglichen.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm für mehrere Nitinolsaiten mit unterschiedlichem Durchmesser; und
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2 schematisch das Phasendiagramm von Nitinol.
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In 1 ist das Spannungs-Dehnungs-Diagramm für vier Nitinolsaiten mit unterschiedlichen Durchmessern abgebildet. Es handelt sich um superelastisches Nitinol S/BB mit einer Übergangstemperatur („Austenite Start Temperature”) As von –15°C. Die Messung des Spannung-Dehnungs-Diagramms erfolgte bei Raumtemperatur. Wie sehr gut zu erkennen ist, gibt es einen „steifen” austenitischen Bereich bei Spannungen von etwa 100 bis 500 MPa, bei denen sich die Nitinolsaite linear verhält. Bei einer Spannung von etwa 600 bis 650 MPa tritt ein Phasenübergang auf, bei dem sich der Austenit in Martensit umwandelt. Während dieses Phasenübergangs steigert sich die Dehnung von knapp 2% zu gut 7%, ohne dass die Spannung nennenswert erhöht werden müsste. Für größere Dehnungen bzw. höhere Spannungen von etwa 700 bis 900 MPa liegt ein zweiter linearer Bereich vor. Hier handelt es sich um „weichen” Martensit.
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In den beiden markierten Bereichen lässt sich die Nitinolsaite wie eine herkömmliche Saite verwenden, wobei die Zugsteifigkeit entweder im Wesentlichen derjenigen einer Natursaite entspricht (weicher Martensit) oder aber deutlich höher ist (steifer Austenit). Eine solche Nitinolsaite verhält sich insoweit wie herkömmliche Ballspielschlägersaiten, als in den markierten Bereich jeweils die Spannung proportional zur Dehnung zunimmt.
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Alternativ lässt sich die Nitinolsaite jedoch auch im Bereich des Phasenübergangs verwenden, wie nachfolgend anhand einer schematischen Darstellung der Hysterese in 2 erläutert werden soll. Wie in 2 zu erkennen ist, nimmt ausgehend von einer Dehnung von 0% mit zunehmender Dehnung die Spannung zunächst linear zu. Wird der Beginn des ersten Phasenübergangs, bei dem sich Austenit in Martensit umwandelt, bei einer Spannung ϭ erreicht, so bleibt die Spannung bei zunehmender Dehnung im Wesentlichen konstant (ϭ1). Wird nach vollständiger Umwandlung in Martensit die Dehnung weiter erhöht, erreicht man einen zweiten Proportionalbereich im Spannungs-Dehnungs-Diagramm, bis schließlich die Streckgrenze YS („yield strength”) und die Zugfestigkeit UTS („ultimate tensile strength”) erreicht werden. Wird hingegen nach vollständiger Umwandlung in Martensit die Dehnung wieder reduziert, so wird zunächst der Martensit nicht direkt wieder in Austenit umgewandelt, sondern zunächst ein Teil der Spannung innerhalb des Martensits abgebaut, bis wieder die Spannung ϭ2 erreicht ist. Erst bei dieser Spannung ϭ2 tritt dann der zweite Phasenübergang auf, bei dem Martensit in Austenit umgewandelt wird, bis wieder der Ausgangspunkt der Hysterese im Phasendiagramm erreicht wird.
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Wird die Bespannung des erfindungsgemäßen Ballspielschlägers nun gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit einer Vorspannung beaufschlagt, die knapp unterhalb derjenigen Spannung liegt, bei der der zweite Phasenübergang auftritt, und ist die Hysteresekurve so schmal, dass die typischerweise beim Spielen des Ballspielschlägers auftretenden Spannungen innerhalb der Saite größer sind, als diejenige Zugspannung, bei der der erste Phasenübergang auftritt, so kann beim Spielen des Ballspielschlägers die in 2 schematisch dargestellte Hysteresekurve komplett durchlaufen werden. Wenn der Ball mit hinreichender Kraft auf die Bespannung des Ballspielschlägers trifft, so wird der Austenit in Martensit umgewandelt und es können dabei extreme Verformungen der Bespannung auftreten. Während oder nachdem der Ball die Bespannung wieder verlässt, wird der Martensit wieder zurück in Austenit verwandelt, so dass die komplette Umwandlung beim nächsten Auftreffen des Balls auf die Bespannung wieder durchlaufen werden kann.
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Auch wenn die obigen Ausführungen am Beispiel einer Nitinolsaite gemacht wurden, so gelten diese selbstverständlich analog für andere superelastische Materialien, wobei selbstverständlich die konkreten Dehnungen und Spannungen, bei denen die Phasenübergänge auftreten von den hier dargestellten Werten abweichen können.
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Die erfindungsgemäßen Saiten können als Längs- und/oder Quersaiten zum Einsatz kommen. Der Schläger kann ausschließlich mit superelastischen Saiten bespannt sein oder in Kombination mit herkömmlichen Saiten aus Nylon, Polyester oder Naturdarm bespannt sein.
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Saiten aus superelastischen Materialien wie beispielsweise Nitinol können beispielsweise über Drahtziehen (im weichgeglühten Zustand) hergestellt werden. Grundsätzlich können solche Saiten mittels entsprechender Ziehwerkzeuge rund, eckig oder in jeder beliebigen anderen Form hergestellt werden. Nitinol lässt sich mit unterschiedlichen Kunststoffen wie zum Beispiel PTFE beschichten.
