Yttre krafter

Inre och yttre krafter

Krafter delas in i inre och yttre. 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.

De yttre krafter som påverkar en skidåkare är gravitationskraft, normalkraft, friktion och luftmotstånd. Vissa av dessa yttre krafter kan delas upp i komposanter när terräng förändras eller när vi svänger, men vi går först igenom dem som om vi antingen stod still eller glider rakt utför.

Gravitation

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.

 

Metod

• Gravitationens påverkan på hastighet

Normalkraft

Newtons tredje lag säger att varje kraft har en motsatt kraft – en reaktionskraft. För gravitationen kallas denna reaktionskraft för normalkraft (N). Om den inte fanns från underlaget skulle gravitationen göra att vi åker in i jordens masscentrum.

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.

En basketboll som ligger still på marken påverkas också av gravitationskraften och normalkraften –jämvikt råder vilket innebär att bollen inte rör på sig. Detta är även ett exempel på hur Newtons första lag om tröghet fungerar.

Om storleken på normalkraften är mindre än storleken på G₂ sjunker åkaren igenom snön. Det upplevs tydligt om du åker i lössnö – då fortsätter du att sjunka igenom snön tills den packas ihop och blir så fast att normalkraften blir lika stor som G₂. Du sjunker igenom snön även i preparerade underlag, men det upplevs inte lika påtagligt som vid åkning i lössnö eftersom det inte är lika kompakt (läs med på Underlaget).

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. Det är helt relaterat till belastning och avlastning och beskrivs vidare under Belastning vertikalt och Funktionell anatomi.

Friktion

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:

1. 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.
2. 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.

Metod

• Friktionens påverkan

Luftmotstånd

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:

1. Åkarens projekteringsyta – den ytan man ser, tvådimensionellt rakt framifrån.
2. 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
3. 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.

Metod

• Luftmotståndets påverkan