Alpin Skidteknik: Mekanik och biomekanik

Question 1

Varför är det viktigt att förstå hur naturlagarna fungerar för den alpina skidtekniken?

Answer 1

För att lättare första den alpina skidtekniken behöver vi förstå hur naturlagarna fungerar, som till exempel varför skidorna svänger eller varför vi får fart nedför. När vi har insikt om de fysikaliska förutsättningarna kan vi förstå vad vi gör och analysera det. Det handlar inte minst om hur kraft och rörelse fungerar och hur det påverkar oss när vi åker skidor nedför en backe.

Question 2

Vad är mekanik?

Answer 2

Mekanik är läran om rörelse, beskrivning av rörelse och rörelsens orsak. Mekaniken är den fysikaliska förklaringen till hur skidåkningen fungerar och den äldsta och mest grundläggande delen av fysiken, den som behandlar jämvikt, rörelse och krafter.

Question 3

När uppstår en rörelse hos ett föremål?

Answer 3

Rörelse uppstår hos ett föremål, till exempel en skidåkare eller en frukt, när en kraft påverkar föremålet så att läget förändras – det får en hastighetsförändring i den riktning som kraften verkar i. Föremålets rörelse består av en förflyttning, en rotation eller båda samtidigt.

Question 4

Vad innebär:
- Kinematik
- Dynamik
- Statik

Answer 4

Mekaniken kan vidare delas upp i kinematik som beskriver föremåls förflyttande och roterande rörelser utan hänsyn till dess orsak, och dynamik som beskriver krafters inverkan på föremåls förflyttande och roterande rörelser. En annan del av mekaniken är statik som då berör föremåls jämvikt där ingen förflyttande rörelse sker.

Question 5

Vad innebär biomekanik?

Answer 5

Detta länkar samman med biomekanik som förenklat skulle kunna summeras som Newtons lagar applicerat på det biologiska systemet. Det är alltså tillämpning av mekanik på biologiska system, som exempelvis människor.

Question 6

Vad innebär masscentrum?
Var ligger det på en vuxen person?

Answer 6

Varje föremål har en tyngdpunkt, ett centrum där hela föremålets massa kan anses vara koncentrerad – ett masscentrum

Hos en vuxen ligger masscentrum i området kring magen beroende på kroppsbyggnad och kroppsposition

Question 7

Vad innebär understödsyta och var är det på en skidåkare?

Answer 7

Varje föremål som är i kontakt med ett underlag har en viss understödsyta. Det är den ytan som ett föremål vilar mot. Hos en skidåkare som står stilla eller åker nedför en backe är understödsytan lika med skidornas yta mot snön och området mellan dem. Mittpunkten av understödsytan kallas stödpunkt.

Question 8

Vad innebär krafternas resultanter?

Answer 8

Krafter påverkar oss alltid, till exempel när vi står stilla, när vi glider utför i backen, när vi rör oss framåt på plan mark, eller när liften drar oss uppför backen. Krafter ger oss förflyttande rörelse. Hur mycket och på vilket sätt krafterna förflyttar eller roterar ett föremål beror på storleken på kraften samt var den angriper föremålet.

Ett föremål påverkas i allmänhet av flera krafter samtidigt. Den totala kraften som ger den totala förflyttanderörelsen är summan av dessa krafter och brukar benämnas som krafternas resultant. En sammanställning av krafter för att få den totala förflyttanderörelsen görs med en kraftparallellogram.

Question 9

Vad innebär krafternas komposanter?

Answer 9

Krafter kan också delas upp i komposanter. Som i det föregående exemplet kan krafterna som skidåkaren skapar med sina stavar delas upp. Det gör att åkaren dels får en acceleration framåt, dels en uppåt.

Question 10

Vilka är Newtons tre lagar?

Answer 10

Tröghetslagen
Det behövs en kraft för att accelerera och därmed förflytta ett föremål. Ett föremål som inte rör sig kommer inte att röra sig förrän något annat utövar en kraft på det. Ett föremål som rör sig kommer att röra sig i exakt samma riktning och hastighet tills något annat utövar en kraft på det. Den inneboende förmåga ett föremål har att motstå en rörelseändring kallar man för tröghet.

Accelerationslagen
Den andra lagen förklarar att själva förflyttningen (acceleration och/eller rotation) av ett föremål beror på kraften. Ju större acceleration vi vill åstadkomma på ett visst föremål, desto större kraft krävs. Och ju större kraft vi utsätter ett föremål för, desto större acceleration kommer vi att åstadkomma. Lagen säger också att ju större massa ett föremål har, desto större kraft kommer att krävas för att åstadkomma en viss acceleration. De större föremålen har med andra ord en större tröghet. Riktningen på förändringen av föremålets rörelse är samma som riktningen hos den kraft som verkar på den.

Reaktionslagen
Newtons två första lagar beskriver hur föremål förändrar sig i rörelse. Den tredje lagen talar om en annan avgörande egenskap hos krafter, nämligen att de kommer i par. Varje kraft har en motkraft. När ett föremål utövar en kraft på ett annat föremål, kommer det andra föremålet att utöva en exakt lika stor kraft på det första föremålet i exakt motsatt riktning.

Question 11

Vad innebär tryck?

Answer 11

Ibland pratar man om tryck istället för kraft, men det är inte riktigt samma sak. Enkelt förklarat är tryck en kraft på en specifik yta. Med det menas att om en yta på 1 kvadratdecimeter belastas med 1 kg är det dubbelt så stort tryck som om en 2 kvadratdecimeter stor yta belastas med 1 kg.

Det är därför det fungerar bättre att använda snöskor när du vandrar i djupsnö istället för vanliga skor. När du sprider ut kraften över en större yta minskar trycket, för det är det som gör att du sjunker ner i snön utifrån dess egenskaper.

Question 12

Vad innebär belastning?

Answer 12

Belastning är ytterligare ett begrepp som används i samband med kraft och tryck. Belastning inom mekaniken handlar om att ett föremål, till exempel en åkare eller underlaget, utsätts för en viss kraft som ger upphov till ett visst tryck.

För alpina skidåkare sker denna från snön mot skidans undersida (även kallat belag) och upplevs i kroppen. Detta beskrivs mer under Normalkraft och Friktion på sidan Yttre krafter. Åkaren kan styra belastningen genom hur fort den åker (hastighet) och hur den påverkar interaktionen mellan utrustning och underlag med hjälp av inre krafter, vilket beskrivs mer på sidorna Belastning vertikalt samt Funktionell anatomi.

Question 13

Vad innebär momentum?

Answer 13

Den rörelseenergi som är produkten mellan ett föremåls massa och dess hastighet kallas även momentum. Enkelt sammantaget innebär det att en åkare som ökar sin hastighet från 30 km/h till 60 km/h får dubbelt så stort momentum, samt att en tyngre åkare har större momentum än en lättare åkare om de åker i samma hastighet.

Momentum är den egenskap som får ett föremål att fortsätta i samma riktning och hastighet tills en yttre kraft påverkar det. En cyklist fortsätter i samma hastighet tills något bromsar den, till exempel att cyklisten bromsar och/eller ändrar sin position. Den fortsätter i samma riktning tills något yttre påverkar den utifrån och som inte verkar rakt motsatt riktning mot cyklistens riktning, till exempel att cyklisten styr cykeln.

Question 14

Vad innebär kraftmoment?

Answer 14

Kraftmoment, även kallat vridmoment, är ett mått på en krafts förmåga att vrida ett föremål kring en axel. Dess storlek beror dels på hur stor kraften är som är tänkt att rotera föremålet dels på avståndet mellan kraftens angreppspunkt och föremålets rotationspunkt. Avståndet kallas för momentarmen eller hävarmen. Rotationspunkten är en punkt varvid ett föremål kan roteras runt åt olika håll och var den är belägen beror på föremålets massa är fördelad. En boll som är sin massa jämnt fördelad har sin rotationspunkt i mitten.

Question 15

Vad innebär tröghetsmoment?

Answer 15

För att skapa en rotation på ett föremål krävs det alltså en kraft, och hur mycket och med vilken hastighet som föremålet roterar beror på var den kraften appliceras och hur stor kraften är. Det som också påverkar är hur mycket av föremålets massa som är koncentrerad runt själva rotationsaxeln. Rotationsaxeln är en tänkt linje där ett föremål lättast kan rotera runt.

Om föremålets massa är fördelat nära rotationsaxeln går det lättare att skapa en rotation än om massan är fördelat längre ifrån rotationsaxeln. Detta kallas för föremålets tröghetsmoment och betecknar ett föremåls motstånd mot att åstadkomma denna tilltänkta rotation. Ju större tröghetsmoment ett föremål har, desto större kraftmoment krävs för att få en rotation.

Question 16

Förklara kortfattat inre krafter.
Beskriv aktiva och passiva inte krafter.

Answer 16

Inre krafter är de som uppstår i kroppen mellan ben, muskler, senor och ligament. De inre krafterna delas in i passiva och aktiva. De passiva har ingen möjlighet att skapa kraft genom förbrukning av energi, men de kan däremot assistera och transportera kraft samt stödja kroppen med rörelseutslag.

De aktiva inre krafterna skapas i muskler med energiförbrukning. Kraften från musklerna uppstår när den dras ihop, vilket styrs av hjärnan och nervsystemet. De kan dras ihop långsamt eller snabbt med stor eller liten kraft.

Vad som är intressant är att en individ inte kan förflytta sig enbart med hjälp av inre krafter, utan endast på grund av de yttre krafterna som de inre krafterna ger upphov till. Vi som individer kan förändra vårt kroppsliga läge samt skidornas läge, men det är först när de yttre krafterna reagerar på oss som vi får rörelse i form av förflyttning och/eller rotation.

De inre krafterna används för att hantera inbördes förhållande mellan kroppsdelar för att ha möjligheten att hantera de yttre krafterna så vi får rörelse. Vi känner och upplever de inre krafterna med våra receptorer, men det är de yttre krafter som ger förflyttning och/eller rotation.

Question 17

Förklara kortfattat gravitationens påverkan på skidåkare.
Använd begreppet komposanter.

Answer 17

Alla objekt på jorden påverkas av gravitationskraften (G) som är en accelererande kraft. Den verkar på ett föremåls alla delar – allt som finns på exempelvis en skidåkare. Resultanten till alla dessa gravitationskrafter verkar i föremålets masscentrum och drar dem mot jordens mittpunkt. Ju större massa ett föremål har desto större blir kraften. G är som störst vid jordens mittpunkt och minskar sedan ju längre ifrån man kommer jordens mittpunkt.

När en åkare glider rakt utför i en lutande terräng kommer gravitationskraften att dra åkaren i lutningens riktning. Denna riktning kallas fallinjen. När åkaren befinner sig i den lutande terrängen delas gravitationskraften upp i två komposanter.

En komposant beskriver gravitationskraftens storlek i lutningens riktning (G1) och en komposant beskriver gravitationskraftens storlek mot underlaget (G2). Det är alltså G1 som gör att skidåkaren får en hastighet utför backen och G2 ser till att skidåkaren dras ner mot underlaget och har snökontakt.

När lutningen blir brantare ökar G1 och därmed ökar åkarens hastighet. G2 minskar i proportion till storleken på ökningen av G1utifrån krafters uppdelning vilket innebär att skidåkare dragning mot underlaget i själva verket minskar. Motsatt förhållande råder ifall lutning blir flackare, då ökar G2 och G1 minskar.

Question 18

Beskriv normalkraftens påverkan på skidåkaren

Answer 18

När gravitationskraften gör att skidåkaren kommer i kontakt med underlaget (snön) bildas alltså normalkraften som en reaktion gentemot gravitationskraften. Normalkraften verkar vinkelrätt från underlaget och på varje liten del i det föremål som är i kontakt med underlaget. En skida kommer alltså ha normalkraft från framänden till bakänden, men dessa punkter är olika stora beroende på skidans konstruktion (se Utrustning) och åkarens position på skidorna.

Resultanten av dessa krafter verkar från underlaget mot skidåkarens (föremålets) masscentrum. Exempelvis blir normalkraften större längre fram på skidorna om åkaren väljer att förflytta sitt masscentrum längre fram på skidorna – där packas alltså snö ihop mer just vid det tillfället.

När skidåkaren åker rakt utför backen kommer normalkraften att vara reaktionskraft till G2 (den komposant till gravitationskraften som är riktad mot underlaget i lutande terräng). När normalkraften är lika stor som gravitationskraften kommer de att ta ut varandra, vilket innebär att ingen förflyttning ner mot underlaget sker av i det här fallet skidåkaren. Det uttrycks som att det blir jämvikt.

Om storleken på normalkraften är mindre än storleken på G2 sjunker åkaren igenom snön.

Vi kan också, med våra ledrörelser, påverka storleken på normalkraften. Detta fenomen tillåts på grund av att gravitationskraften är en accelererande kraft. Ifall vi står still och sänker masscentrum relativt snabbt kommer vi låta gravitationskraften få göra det den vill (det vill säga dra vår tyngdpunkt mot jordens mittpunkt) och därmed minskas normalkraften ända tills vi bromsar in den nedåtgående rörelsen.

När detta sker börjar normalkraften att öka igen, och den fortsätter att öka genom hela rörelsen uppåt. Det gör den tills vi bromsar in den uppåtgående rörelsen och den minskar igen tills vi är tillbaka till utgångsläget och det råder jämnvikt

Question 19

Beskriv friktionens påverkan på skidåkaren.

Beskriv även vilka två saker som påverkar friktionen för en skidåkare

Answer 19

Friktion (f) uppstår när en yta rör sig i kontakt med en annan yta. Friktionen kan ses som ett glidmotstånd. Riktningen på friktionen är motsatt mot föremålets rörelseriktning. Friktionen verkar bromsande, och storleken på den bromsande kraften varierar beroende på ojämnheterna i de ytor som berör varandra. Till exempel hakar ojämnheter i skidans underlag (belag) och snön i varandra och motverkar skidåkarens förflyttande rörelse.

Friktionen påverkas också av normalkraften genom att den ökar och minskar i proportion till normalkraftens ökning och minskning. Exempelvis kommer då friktionen att minska när lutningen ökar.

Friktionen påverkas av två saker:

Ytornas beskaffenhet – för oss skidåkare handlar det om snön och våra belag. Rätt valla för rätt snötyp håller nere friktionen. Vi kan också påverka belaget med olika strukturer för att få ner eller upp friktionen.
Trycket mellan skidans belag och snön – trycket bestäms av normalkraften och belagets storlek (se Kraft och rörelse). Ju större tryck (det vill säga kraft per yta) desto större friktion.

Question 20

Beskriv luftmotståndets påverkan på skidåkaren.

Beskriv även de tre viktigaste faktorerna en åkare kan påverka för att minska luftmotståndet

Answer 20

Luftmotståndet (d) är summan av alla de aerodynamiska strömvirvlar som bromsar åkarens fart. Resultanten verkar på åkarens tyngdpunkt och är riktad mot färdriktningen och agerar alltså som bromsande för föremålet.

De tre viktigaste faktorer en åkare kan påverka för att förändra luftmotståndet är:

Åkarens projekteringsyta – den ytan man ser, tvådimensionellt rakt framifrån.
Åkarens form – den form som ger minst luftmotstånd är droppformad, så att försöka se ut som en droppe som ligger ner är ett bra sätt att minska luftmotståndet
Åkarens fart – farten har stor inverkan på luftmotståndet. Dubbelt så mycket fart ger fyrdubbelt luftmotstånd.
När farten är så hög att summan av luftmotstånd och friktion blivit lika stora som den framåtdrivande kraften (G1) har skidåkaren kommit upp i sin maximala hastighet, bortsett från att det kan blåsa hastiga med- och motvindar. Att nå den högsta möjliga medelhastigheten handlar om att minimera de bromsande krafter som bromsar hastigheten

Question 21

Beskriv gravitationens förändring genom svängen

Answer 21

Förhållandena mellan gravitationens komposanter G1 och G2 kommer att öka respektive minska genom svängen. Gravitationskraften kommer alltid att vara riktad mot jordens mitt, men i och med att lutningen förändras genom svängarna, förändras också storleken på respektive komposant.

När en skidåkare åker på skrå mot backens fallinje dit G1 vill dra åkaren är hastigheten som minst. Då är G2 som drar åkaren ner mot underlaget större i förhållande till G1. När skidåkaren börjar starta en sväng och får en förflyttning och rotation minskar G2 och G1 ökar vilket gör att skidåkaren accelererar och hastigheten ökar. G1 kommer att vara störst när skidorna under en given tid pekar rakt ner i fallinjen.

Vi utgår ifrån att skidåkaren vill fullfölja svängen och fortsätter efter fallinjen så att hen till slut åker på skrå fast åt andra hållet. G1 minskar mer och mer ju närmare skråfasen åkaren kom samtidigt som G2 ökade.

Question 22

Beskriv normalkraftens förändring genom svängen

Answer 22

Vi vet att normalkraften verkar vinkelrätt från underlaget vilket betyder att den verkar rakt uppåt från snön under ett par planställda skidor. Om vi tänker oss hur gravitationskraften förändras genom svängen och adderar vad som händer med normalkraften kan vi grovt konstatera följande påståenden innan det blir mer komplicerat:

Eftersom normalkraften är en reaktion på G2som i sin tur påverkas av backens lutning kommer storleken på normalkraften att pendla genom svängen i en jämn, kontinuerlig lutning.
Normalkraften är som störst när åkaren åker på skrå mellan svängarna eftersom det är som flackast där, och som minst när åkaren åker rakt ner i fallinjen där det är som brantast. Men detta utgår fortfarande ifrån att skidorna egentligen är planställda.
Vi har alltså ännu inte fått en kraft som verkar på oss i sidled och som får oss att rotera och ge oss en ny riktning. Om vi däremot riktar normalkraften åt sidan händer något spännande! Precis som gravitationskraften delas upp i komposanter när ett föremål hamnar i en lutning, delas normalkraften upp i komposanter när planställda skidor vinklas och skapar en kantningsvinkel mellan snön och skidorna. Detta är förutsatt att skidorna har den uppbyggnad de har och att vi har en rörelse framåt. Då bildas en platå som det faktiska underlaget varpå normalkraften verkar vinkelrätt från.

Ju mer vi ökar kantningsvinkeln mellan skidan och snön, desto mer är normalkraften riktad in mot svängens centrum. Från normalkraften bildas en komposant (K) som är vinkelrät från det ursprungliga underlaget och reagerar mot G2, och en komposant som är parallell med underlaget. Vi kan beteckna denna som kraft (F). Detta är den kraft som verkar på oss i sidled.

Komposanten (F) till normalkraften uppstår alltså genom snöns ihoppackning under den kantställda skidan eller från att kanten skär underlaget.

Question 23

Beskriv centripetalkraften inom skidåkning

Answer 23

Den komposant (F) som bildas av normalkraften och som verkar på oss i sidled kallas centripetalkraften och är den yttre kraft som får ett föremål att följa en cirkulär bana med en konstant rotationshastighet riktad mot den cirkulära banans centrum.

I skid- och brädåkning, är det den kraft som skapar svängarna och som alltid är riktad in mot svängcentrum parallellt med underlaget. Detta har också att göra med utrustningens uppbyggnad och gås igenom mer under Utrustning.

Vi vet att om ett föremål ska byta riktning krävs det att en kraft verkar på föremålet enligt Newtons första lag. I detta fall behöver vi en kraft som verkar från sidan och förflyttar föremålet i sidled så vi kan få en sväng.

Exempel på hur denna kraft kan uppstå för skidåkaren:

Kraften från sidan skapas av befintlig utformning i underlaget, exempelvis från en velodromsväng i en skicrossbana.
Skidan skapar en egen, ny utformning i underlaget genom att skidan kantställs, gräver ned sig i snön och böjs vilket leder till att skidan skapar sin egen velodromform. Skidorna byter riktning och åkaren följer med. Velodromformen som skapas i underlaget av den kantställda skidan görs möjlig tack vare skidans uppbyggnad och egenskaper (se Utrustning).
Centripetalkraften uppstår alltså när underlaget vi åker på inte bara lutar i fallinjen utan också lutar åt något håll i sidled i förhållande till den riktning som vi färdas i. I och med att centripetalkraften är en del av normalkraften förhåller den sig till storleken och riktningen på normalkraften.

Önskar en skidåkare en större svängande kraft behövs en större normalkraft och en större riktning i sidled. Detta kan uppnås genom att åka i högre hastighet och/eller balansera mer och mer på en skida som är kantad. Utifrån skidans uppbyggnad kommer en relativt stor kantningsvinkel att behöva böjas mer för att hela skidans kant ska vara i kontakt med snö vilket i sin tur kräver att snön packas ihop tillräckligt mycket utifrån det.

Question 24

Beskriv centrifugalkraften inom skidåkning

Answer 24

Enligt Newtons tredje lag vet vi att den kraft som ger en sväng måste ha en kraft som balanserar den. Vi kan känna den kraften tydligt när vi sitter i en bil som svänger kraftigt i förhållande till bilens hastighet – då upplever vi att vi trycks utåt i svängen. Denna kraft kallar vi centrifugalkraft.

Centrifugalkraften är egentligen inte en riktig kraft utan en så kallad en upplevd kraft. En fördel med att tala om centrifugalkraft kan vara att väldigt många människor har en intuitiv förståelse för den eftersom de upplevt den tydligare. När bilen svänger och vi upplever centrifugalkraft vill vi gärna luta oss inåt i svängen för att på ett hantera centrifugalkraften på ett sätt som är mindre ansträngande för de inre krafterna.

Question 25

Definiera balans inom skidåkning, skilj på statisk och dynamisk balans

Answer 25

Inom mekanik är ett föremål som inte faller i balans, oavsett om det rör sig eller inte. Ifall masscentrum är innanför föremålets understödsyta kallas detta för statisk balans. Notera att själva hela föremålet fortfarande kan få en förflyttning och rotation. Reaktionskraften från underlaget, det vill säga normalkraften, är den kraft som vi balanserar med.

Det går att föreställa sig linjen från alla resulterade delar som är i kontakt med underlaget och som har en viss vinkel. Normalkraften verkar ju vinkelrätt från underlaget och från de delar som är kontakt med det. I och med att en skidåkare riktar normalkraften åt sidan när en skida kantställs behöver hen förflytta sitt masscentrum närmare den riktning som normalkraften har fått för att behålla sin balans.

Ju mer en skida kantställs, desto lägre ifrån understödsytan måste skidåkaren placera sitt masscentrum. Detta brukar kallas för dynamisk balans och är mer komplicerat. Det kan tolkas som att en skidåkare hela tiden håller på att trilla och generellt sett oftast lyckas balansera upp normalkraften (vi ser fler människor stå upp i backen jämfört med människor som trillar).