Krafters verkan på en skidåkare som svänger

Det är väldigt få åkare som endast åker rakt ner i fallinjen utan att svänga. Att svänga innebär att skidåkarens hastighet (förflyttning) måste ändra riktning och att skidorna roterar till denna riktning.

För att detta ska ske krävs det att en kraft verkar från snön på skidorna i sidled samt att skidorna intar ett läge. Det som också krävs är att denna kraft angriper utanför skidornas masscentrum som vanligtvis befinner sig under bindningen och därmed lite längre bak i skidans längsled.

Om en kraft i sidled verkar på skidornas masscentrum skulle de inte rotera utan bara glida snett framåt nedför backen om vi tänker oss att vi åker rakt ner i fallinjen med skidorna planställda.

Det går att jämföra detta med att stå still 90 grader gentemot fallinjen när vi som skidåkare står på skrå, vilket betyder att vi har en kantad skida – en kantningsvinkel gentemot backens lutning. Om vi skulle planställa skidorna skulle vi hasa sidledes nedåt i fallinjen. Den kraften som verkar sidledes på oss som skidåkare (med våra skidor) är G₁ som vi dra oss nedför backen.

Vi får inte heller en sväng om en kraft i sidled verkar på framdelen av skidorna åt ett håll och en lika stor kraft verkar på skidornas bakdel åt andra hållet. Det resulterar i att skidorna och skidåkaren endast snurrar runt. De vrids runt sitt masscentrum men håller samma riktning. Det blir snarare endast ett kraftmoment eftersom skidorna och åkaren roterar.

För att vi ska få till en sväng krävs det att en kraft som verkar i sidled så att åkriktningen (hastighetens riktning) ändras och att den angriper på ett sådant ställe att skidorna vrids till den nya åkriktningen. Skidorna behöver också vara utformade och konstruerade på ett sätt som tas upp mer under Utrustning. Innan vi går in på vilken kraft som ska verka på skidåkaren i sidled går vi igenom hur gravitationen förändras genom svängen.

Gravitationens förändring genom svängen

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.

Normalkraftens förändring genom svängen

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 G₂ som 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 G_2, 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.

Metod

• Normalkraftens riktnings beroende av belastningsförändring i sidled

Centripetalkraft – den svängande kraften

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.

Metod

• Centripetalkraft i plogsväng

Centrifugalkraft

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 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.

Friktion

Eftersom friktionen är proportionell till normalkraften kommer den också att förändras under svängens gång. När normalkraften är stor är också friktionen det. Detta innebär att friktionen vanligtvis är mindre i början av en svängcykel och mer efter fallinjen när normalkraften ökar. Vid reglering av hur skidorna interagerar med snön spelar friktionen en tydligare roll, något som gås igenom mer under Interaktion.