Ur ett objektivt mekaniskt perspektiv handlar alpin skidåkning om att ändra riktning och hastighet, det vill säga att ändra momentum. För att kunna förstå hur detta sker bör vi veta vad kraft innebär. För djupare beräkningar inom alpin skidåkning finns boken Mekanik, där även följande illustrationer är tagen ur.
Kraft är ett fundamentalt begrepp inom mekaniken och betecknas F, medan enheten för kraft när man ska beräkna olika fenomen är Newton vilket förkortas N vid beräkningar. Krafter har en viss storlek och en viss riktning, vilket beskrivs med hjälp av pilar. Pilens början visar kraftens angreppspunkt, pilens riktning anger kraftens riktning och pilens längd anger kraftens storlek.
Krafternas resultanter
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.
Ett kraftparallellogram.
Om vi till exempel står still på plant underlaget och ska staka oss framåt sätter vi i båda stavarna och skjuter ifrån genom att applicera en kraft på vardera stav mot underlaget. blir summan av dessa två krafter och ger en förflyttande rörelse framåt (en acceleration framåt) och anses ha sin angreppspunkt i masscentrum. Figuren nedan illustrerar detta.
Vid applicering av två eller flera krafter blir summan den resulterande kraften.
Krafternas komposanter
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. Se bilden nedan.
Uppdelning av en kraft (F). Beståndsdelarna kallas för komposanter.
En skidåkare applicerar kraft genom stavisättningen ner mot underlaget som reagerar och rör skidåkaren framåt och uppåt.
När vi pratar om krafter inom mekanik och vidare inom biomekanik så skiljer vi på inre och yttre krafter. Inre krafter uppstår mellan skelettet, leder och ligament och skapas av muskler och senor genom förbränning av energi. I detta material berör vi inre krafter väldigt lite, och rörelseapparatens funktion i skidåkning beskrivs under avsnitten Funktionell anatomi och Helheten. För djupare förståelse för hur inre krafter kan skapas hänvisar vi till boken Funktionell anatomi och rörelselära inom alpin skidåkning av Robert Hansson.
Yttre krafter verkar på oss människor utifrån och beskrivs mer djupgående på sidan Yttre krafter.
Newtons tre lagar
En av de mest kända fysikerna genom tiderna är Isaac Newton. Han lade grunden för i stort sett hela den klassiska mekaniken. Bland annat formulerade han tre grundläggande lagar. På sidan Yttre krafter går vi igenom hur dessa lagar fungerar i praktiken.
- 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.
Tryck
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 (se sidan om Underlaget).
På samma sätt kommer en åkare som är tyngre än en annan åkare att sjunka ned längre i snön än en lättare åkare även om de har likadana skidor. Exemplet kopplar an till Newtons andra lag, accelerationslagen. Accelerationen är i detta fall den förflyttande rörelsen som den tyngre respektive den lättare åkaren får när de sjunker ner i snön. Snön är föremålet som vi vill påverka och kraften blir den massa som respektive åkare har.
Belastning
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.
Momentum
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.
Detta är exempel på Newtons första lag. Så fort en åkare börjar glida kommer den att ha momentum, det vill säga riktning och hastighet, som inte ändras förrän en yttre kraft påverkar åkaren.
Kraftmoment
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.
Rotationspunkten är någonstans mitt under bindningen på en skida beroende på skidan och bindningens utseende och placering. Det är förutsatt att en skidåkare inte har på sig skidorna.
Tänk att du ska vrida om en mutter med en skiftnyckel. Ju längre ut på skiftnyckeln du håller, desto mindre kraft behöver du ta i med för att vrida runt muttern eftersom din hävarm är längre.
Kraftmomentet är också applicerbart vid hävstångseffekt. Tänk dig att du gungar gungbräda med ett litet barn. Om ni vill ha gungbrädan i balans behöver du sitta närmare mitten än barnet för att din hävarm ska vara mindre eftersom du väger mer (din kraft).
Att göra en stavisättning är också att skapa ett kraftmoment. Storleken på det momentet bestäms också av det momentum skidåkaren har tillsammans med hur långt ifrån kroppen staven sätts i (hävarmen) och med vilken kraft. För att kunna svänga måste skidorna vridas/roteras in i ny åkriktning. En kraft från snön måste verka på skidorna och angripa på ett sådant ställe att skidorna roterar (läs mer på Krafters verkan på en skidåkare som svänger).
Metod
Kraftmoment där d är hävarmen och F kraften som ska få skidan att rotera runt rotationspunkten som finns i mitten.
Tröghetsmoment
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.
Åkaren har mindre tröghetsmoment i den vänstra positionen och mer i den högra eftersom massan fördelas olika runt rotationsaxeln.
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.
Tröghetsmomentet är alltså beroende av massans fördelning kring rotationsaxeln. För en skidåkare varierar tröghetsmomentet beroende på kroppspositionen i varje sekund, det vill säga det ändras med kroppsdelarnas avstånd till rotationsaxeln:
- Bredare skidföring, där skidorna är i en position bredare än höftlederna, ger stort tröghetsmoment.
- Smal skidföring, där skidorna är i en position smalare än höftlederna, gör att mer av massan hamnar nära rotationsaxeln, tröghetsmomentet blir mindre och åkaren får större rotation när den påverkas av vridande krafter.
Tröghetsmomentet förändras på samma vis om vi har armarna nära kroppen eller långt ut.
