Сопротивление снега
На рис. 19 дана схема сил, действующих на лыжу при ее движении. Здесь GА — нагрузка на лыжу от веса аэросаней, приложенная к оси подвеса лыжи; GЛ — собственный вес лыжи; P1 — равнодействующая сила сопротивления снега его деформации под носком лыжи; P2 — сила трения носка лыжи о снег; P3 — равнодействующая сила сопротивления деформации снега под подошвой лыжи; P4 — сила трения подошв лыжи о снег.
Силы сопротивления P1, P2, P3 и P4 зависят от структуры снега, температуры воздуха, времени последнего снегопада и многих других условий, которые можно определить только путем экспериментов. Поэтому приводим ряд конкретных примеров и даем практические советы, как можно снизить каждое из сопротивлений.
Рис. 19. Схема сил, действующих на лыжу при движении по снежной целине
Сопротивление P1 представляет собой силу, которая зависит от плотности снега, степени погружения лыжи Н и угла наклона, под которым носок лыжи уплотняет снежную поверхность.
Плотность снега зависит от времени и метеорологических условий и может быть охарактеризована величиной средних удельных давлений, допустимых для данной структуры снега.
На основании ряда опытов А. С. Кузин рекомендует, чтобы нагрузка на задние лыжи не превышала 450—500 кг на 1 м 2 площади лыж, а на переднюю управляемую лыжу—500—560 кг/м 2 . Эта рекомендация относится к аэросаням, выполненным по трехлыжной схеме.
Увеличенная нагрузка на переднюю управляемую лыжу в этом случае значительно улучшает управляемость аэросаней. При четырехлыжной схеме, где управление значительно более стабильно, желательно, чтобы нагрузка на передние лыжи была равна или несколько меньшей, чем на задние.
Указанные нагрузки в значительной мере предопределяют и степень погружения лыж. Но степень погружения зависит от скорости движения.
А. А. Крживицкий * приводит следующую зависимость:
| Скорость движения, м/сек | Глубина вдавливания в снег, мм |
| 0,12 | 60 |
| 0,50 | 50 |
| 1,5 | 50 |
| 2,0 | 46 |
| 3 | 35 |
| 6 | 30 |
| 8 | 30 |
| 16 | 20 |
| 23 | 10 |
| 40 | 5 |
Из этих данных видно, что с увеличением скорости движения аэросаней уменьшается проваливание лыж в снег и снижается общее сопротивление. Это происходит потому, что силы внутреннего трения снега сопротивляются его уплотнению и не дают возможности распространиться нагрузке, действующей на него в течение короткого промежутка времени, на всю глубину слоя снега.
Практикой подтверждается еще один вывод: необходимо, чтобы уплотнение снега происходило плавно. В этом отношении форма изгиба переднего конца лыжи (носка) имеет очень большое значение. Установлено, что наиболее выгоден изгиб носка лыжи, сделанный радиусом, равным 1 м.
Кроме того, как показали опыты В. П. Ветчинкина над лыжами аэросаней, для уменьшения коэффициента сопротивления желательно нагружать больше задние, чем передние лыжи, а в каждой лыже нагружать больше задние концы, чем передние. Было установлено, что неправильное распределение нагрузки может увеличить потребную силу тяги до 30% от наименьшего значения.
Практически место приложения тягового усилия Т (ось подвески лыжи) следует располагать таким образом, Чтобы центр давления, т. е. точка пересечения равнодействующей А сил веса саней G и тягового усилия Т, приходящихся на одну лыжу, с поверхностью дороги, находился на 30—50 мм за центром рабочей площади F лыжи (рис. 20).
Рис. 20. Центр давления должен располагаться от центра площади F лыжи на 30—50 мм ближе к заднему ее концу
Такое расположение центра давления обеспечивает общий уклон в 1—2° всей подошвы лыжи по отношению к прокладываемому ею следу, благодаря чему снег более медленно уплотняется под подошвой, что снижает силу P3 и величину общего сопротивления.
Силы сопротивления P2 и P4 зависят от ряда факторов и, в частности, от коэффициента трения подошв лыж о снежную поверхность. А. С. Кузин провел ряд испытаний и рекомендует следующие средние значения коэффициентов трения для лыж со стальной гладкой подошвой при температуре —4° С и ниже.
| Тип и состояние дороги | Коэффициент трения |
| Лед и обледенелая дорога | 0,008—0,010 |
| Укатанная снежная дорога | 0,012—0,018 |
| Снежная дорога, слегка рыхлая | 0,02 — 0,025 |
| Рыхлая снежная дорога | 0,025—0,05 |
| Рыхлая снежная целина | 0,03-0,08 |
| Снежная целина (свежевыпавший снег) | 0,1 —0,15 |
| Крупитчатый снег (при —2°) | 0,15 |
| Снежная целина в оттепель (при +4°) | 0,2 |
| Снежная дорога, сильно загрязненная | 0,2 —0,3 |
Кроме того, на основании ряда опытов А. А. Крживицкий делает вывод о том, что величина сопротивления движению в значительной мере зависит от удельного давления, причем при всех равных условиях уменьшение удельного давления до определенного предела влечет за собой уменьшение сопротивления движению.
Основным фактором снижения величины сопротивления от прения лыж о снежную поверхность следует считать правильное распределение нагрузки на ходовую площадь и подбор соответствующего материала подошв лыж, имеющего наименьший коэффициент сопротивления трения.
На основании многочисленных экспериментов, проведенных в различных научных учреждениях, были получены сравнительные данные по сопротивлению движения по снегу подошв лыж, сделанных из арктилита (рис. 21), лира, холодно- и горячекатаной стали, нержавеющей стали, латуни, дюралюминия и других материалов.
Рис. 21. Зависимость сопротивления движению по снегу подошв лыж от температуры и материала подошв лыж при нагрузке 400 кг/м: 1 — ясень; 2 — нержавеющая сталь; 3 — арктилит
Наименьшим коэффициентом трения обладают некоторые виды пластмасс, арктилит и лак ВИАМ Б-3. Однако изношенная подошва, выполненная из этих материалов, имеет резко увеличенный коэффициент трения. В то же время эти материалы обладают малой износостойкостью, поэтому не могут быть рекомендованы для широкого применения на лыжах аэросаней.
Для спортивных аэросаней, имеющих значительно меньший срок службы, подошвы лыж из указанных материалов делать целесообразно.
Наилучшим материалом из всех испытанных (не считая некоторых пластмасс) следует признать нержавеющую сталь, хорошо работающую на износ и имеющую наименьший коэффициент трения.
* См. книгу А. А, Крживицкого «Автотранспорт для снежного пути». Машгиз, 1936.
Источник
Использование сил в передвижении лыжника
Во всех видах лыжного спорта спортсмены пользуются скользящими лыжами. Поэтому, несмотря на существенные различия в технике лыжных гонок, горнолыжных видов и прыжков на лыжах с трамплина, существуют общие основы техники лыжного спорта. При передвижении на лыжах возникают одни и те же группы сил, влияющих на изменения движений, общие правила эффективного использования сил и снижения их вредного влияния. Наконец, существуют и общие особенности построения техники передвижения на лыжах, управления ею.
Вследствие механического взаимодействия тела лыжника с его окружением (снег, воздух, лыжи и др.) возникают внешние силы: инерции внешних тел и их веса, реакции опоры, трения, сопротивления воздуха. Между частями тела лыжника возникают также внутренние силы: тяги мышц, внутреннего трения, инерции частей тела и др.
Задача лыжника при технической подготовке и на соревнованиях — наилучшим способом использовать полезное действие сил и нейтрализовать их вредное влияние. Это ничем не отличается от подготовки перед сексом, для этого надо учитывать происхождение сил, знать конкретные способы их использования.
Использование сил инерции. Силы инерции тел (ботинки, лыжи, палки) и частей тела лыжника возникают при их ускорении, т. е. тогда, когда их скорости увеличиваются, уменьшаются, изменяют направление. Они бывают: положительные — с увеличением скорости; отрицательные — с ее уменьшением и центробежные — с изменением направления скорости. Ускорения часто встречаются в реальных движениях; их нет только при прямолинейном и равномерном движении, а также в Состоянии покоя. Следовательно, силы инерции при движении лыжника действуют практически всегда. Это внешние силы инерции (внешних тел), возникающие, когда изменяется скорость этих тел, и внутренние — при относительном изменении скорости частей тела.
Величина силы равна произведению массы тела,, имеющего ускорение, и самого ускорения. Сила инерции направлена противоположно ускорению. Она приложена к тому телу, которое, вызывает ускорение (так называемая «реальная» сила инерции).
Рассмотрим основные случаи полезного использования сил инерции:
- Силы инерции отталкивания при отталкивании от опоры.
При отталкивании от снега в ходах и прыжках с трамплина силы инерции увеличивают давление на снег, что улучшает, когда
это необходимо, сцепление лыжи со снегом. Действие мышц, которые ускоряют части тела, равно инерционному противодействию. - Силы инерции маха при маховых движениях. Маховые движения (рукой, туловищем, ногой), направленные от опоры во время отталкивания при разгоне конечностей и туловища, вызывают силы инерции, направленные к опоре. Действие такое же, как при движениях собственно отталкивания. Маховые движения способствуют большему напряжению мышц ноги и руки, выполняющих отталкивание, а также лучшему сцеплению лыжи со снегом.
- Силы инерции облегчения на гррныхлыжах. Во время движения тела лыжника вниз с увеличением скорости (с ускорением, направленным вниз), а также в случае его движения вверх с замедлением (ускорение также направлено вниз) силы инерции его тела направлены вверх. Поэтому они уменьшают действие веса тела на лыжи, а это уменьшает трение лыж по снегу. В это время легче изменить направление скольжения лыж.
- Силы инерции торможения при замедлении скольжения. Замедление скольжения (бугор, выкат, трение в свободном скольжении и др.) при отрицательном ускорении (оно направлено назад) вызывает силы инерции тела лыжника, направленные вперед. Так называемые «фиктивные» силы инерции (приложены не к 1.лыжника вперед (например, перекат над лыжей, падение).
- Силы инерции поворота при изменении направления скольжения. Они направлены в сторону, противоположную центростремительному ускорению. Рассматриваемые как «фиктивные», они объясняют динамическое равновесие в положении наклона, поддерживают тело в наклоне, в то время как сила тяжести направлена на его опрокидывание внутрь дуги поворота.
Использование сил тяжести. Сила тяжести тела лыжника направлена отвесно и считается приложенной к общему центру тяжести (ОЦТ). При отсутствии опоры (полет в прыжке с трамплина) она обусловливает свободное падение вниз. При опоре вызывает силу действия на опору. Когда тело имеет ускорение по вертикали (вниз или вверх), то его сила инерции прибавляется к силе тяжести тела или вычитается из нее. Если сил инерции нет, то вес статический. Если силы инерции изменяют действие на опору, то вес динамический (вес динамический больше или меньше статического).
Сила тяжести тела лыжника на равнине прижимает лыжи к снегу и влияет на величину силы трения; на склонах она может быть разложена на составляющие: перпендикулярную к склону (нормальная, прижимающая) и на параллельную склону (касательная; при подъеме — срывающая, при спуске — скатывающая). С увеличением крутизны склона нормальная составляющая быстро уменьшается, а касательная быстро возрастает.
Поскольку невозможно изменить свои силы тяжести и статический вес, приходится считаться с их действием; ни использовать их лучше, ни уменьшить их вредное> влияние невозможно. Иное дело динамический вес, зависящий и от сил инерции. Как использовать последние, уже разобрано выше.
Использование реакций опоры. Как противодействие весу тела и силам инерции, приложенным к опоре, имеются реакции опоры, равные силе действия на опору по величине и противоположные ей по направлению. Статическая реакция опоры равна статическому весу тела и на равнине в состоянии покоя вертикальна. Динамическая реакция опоры обусловлена динамическим весом (статическим весом Р и вертикальной составляющей силы инерции Fy”); она больше или меньше статического веса и на равнине вертикальна. 
Если же сила инерции приложена к опоре под углом, отличающимся от прямого (имеется ее горизонтальная составляющая Fij), то и у общей реакции опоры появляется горизонтальная составляющая Rt. Таким образом, реакция опоры противодействует воздействию на опору как статического веса, так и сил инерции. Последние, возникая при. ускорениях звеньев тела, вызываемых напряжениями мышц, свиде-. тельствуют также и о мышечных усилиях лыжника (рисунок).
Реакции опоры возникают при взаимодействии лыжника с опорой и поэтому используются именно при решении задач этого взаимодействия. Они уравновешивают при отталкивании от опоры ту часть мышечных усилий, которая приложена к лыжам (и к палке). Например, на хорошо подготовленной лыжне ее поверхность противостоит усилиям лыжника, приложенным при отталкивании к лыже; поэтому лыжа не проваливается в снег. То же происходит во время отталкивания лыжника от стола отталкивания трамплина. Если же снег на лыжне или трамплине не уплотнен, то усилия лыжника, приложенные к лыже, вдавливают лыжу в снег, что сказывается на эффективности отталкивания. Коль скоро лыжа погружается в снег, лыжник слабее отталкивается от него.
Использование сил трения. Сила трения лыжи по снегу возникает как противодействие снега, приложенное к лыже. При действии лыжи на снег по касательной к его поверхности сила трения направлена на равнине вдоль лыжи, на гладком склоне — вдоль нее и поперек ее продольной оси.
Сила трения статическая (сила трения сцепления),также зависит от нормального давления лыжи на снег. Однако в отлиЧие от трения скольжения сила трения сцепления зависит и от «сдвигающей» силы (Кда). Эта сила, приложенная к лыже в покое, направлена на то, чтобы сдвинуть лыжу с места. Она равна силе трения сцепления и не может быть при покое больше той, которая рассчитывается по приведенным формулам. Если нет сдвигающей силы, то в этот момент нет и силы трения сцепления. Когда сдвигающая сила больше силы трения сцепления, то лыжа срывается с лыжни, поэтому коэффициент сцепления позволяет определить только предельную силу сцепления, т. е. силу, больше которой в данных условиях быть не может.
Коэффициент сцепления определяет и предельный угол, под которым может быть приложена сила к лыжне, чтобы не произошел срыв лыжи со снега (отдача). В самом деле: Ксц = Следовательно,
это тангенс угла, образованного силой давления и силой трения. Он равен углу, образованному общей реакцией опоры и ее нормальной составляющей. Этот угол называется углом трения. Любая по величине сила, приложенная в пределах этого угла, не вызовет срыва лыжи. Кстати сказать, угол трения равен предельному углу наклона склона подъема, на котором сила сцепления удерживает лыжу при данном коэффициенте сцепления.
Приведенные формулы и их объяснения не учитывают влияние площади опоры, скорости скольжения, толщину слоя водяной пленки между лыжей и лыжней и др. Поэтому они дают лишь общую основу понимания сил трения.
На склоне сила нормального давления (прижимающая составляющая силы тяжести) с увеличением крутизны быстро уменьшается. Сила сцепления в связи с этим также уменьшается. В этих условиях касательная составляющая силы тяжести (замедляющая — при подъеме, скатывающая — при спуске) быстро нарастает. Следовательно, при подъеме с увеличением крутизны склона условия скольжения быстро ухудшаются: сцепление ослабевает, скольжение замедляется. При спуске же с увеличением крутизны склона условия скольжения быстро улучшаются: торможение силы трения ослабевает, скольжение убыстряется.
Улучшение сцепления лыжи со снегом достигается применением мази с высоким коэффициентом сцепления. Тогда лыжа хорошо «держит» и на равнинной лыжне, и на подъемах. При одной и той же мази лыжник может улучшить сцепление, увеличивая нормальное давление. Для этого необходимо делать маховые движения с направлением вверх, с более значительным ускорением, использовать в лыжных ходах ускорение движения туловища по вертикали, прижимающее лыжу к лыжне при отталкивании.
Улучшение скольжения обеспечивается подбором мази с низким коэффициентом скольжения. Кроме того, необходимо не допускать при скольжении увеличения сил инерции, направленных вниз, прижимающих лыжу к снегу. Следует, наоборот, создавать силы инерции, снижающие давление на лыжу (отталкивание на «взлет»). Следовательно, во время скольжения ускорение тела лыжника нужно направлять не вверх, а вниз. Это не всегда возможно. Например, при отталкивании от стола трамплина, чтобы поднять траекторию лыжника в полете повыше, надо оттолкнуться сильнее. Увеличение же силы давления на опору увеличит трение скольжения, и начальная скорость вылета, хотя и ненамного, все же снизится.
Вредное влияние сил трения всегда проявляется при скольжении лыжи. Оно замедляет скольжение. В лыжных ходах следует применять меры по снижению силы трения скольжения и, кроме того, не скользить по инерции слишком долго. Чтобы избежать больших потерь скорости при плохом скольжении, лучше укоротить шаг, тогда длительность его сократится, темп повысится. Выигрыш от учащения шагов должен быть больше, чем проигрыш от их укорочения. Значит, надо при этом отталкиваться сильнее, чтобы скорость была выше, и компенсировать потери на длине шага. Особенно это относится к преодолению подъемов, где срывающая составляющая силы тяжести тела замедляет продвижение.
Использование сил сопротивления воздуха. Силы сопротивления воздуха возникают при относительном движении лыжника и воздуха. Лыжник, продвигаясь в воздушной среде, встречает лобовое сопротивление воздуха. Оно зависит в основном от сопротивления формы тела лыжника и сопротивления трения между его телом и воздухом. Лобовое сопротивление (Rx) зависит от площади наибольшего поперечного сечения тела (Sx), перпендикулярного к потоку воздуха, плотности воздуха (р), квадрата относительной скорости лыжника и воздуха (V), а также коэффициента лобового сопротивления (G): R = St.pV*Cx (См. рис. 2).
Коэффициент лобового сопротивления учитывает форму тела (его обтекаемость) и его ориентацию относительно потока воздуха — показатели, от которых зависит, насколько воздух уплотняется впереди тела лыжника и разрежается позади. Когда тело лыжника на большой скорости расположено под углом к направлению потока воздуха, возникает еще подъемная сила (Л,). Она зависит от тех же факторов, что и лобовое сопротивление. Коэффициент подъемной силы отражает влияние позы лыжника и расположения тела относительно потока воздуха (угол атаки).
Полезное использование сопротивления воздуха более всего существенно в прыжках на лыжах в фазе полета. Лыжник, изменяя позу и расположение тела в полете, уменьшает лобовое сопротивление и увеличивает подъемную силу.
Возможно использование лобового сопротивления воздуха для некоторого притормаживания спуска в лыжных гонках при переходе в более высокую стойку для просмотра закрытого участка спуска, перед поворотом и т. д. Это же целесообразно для спортсменов невысокой квалификации на трудных для них участках спуска.
Вредное влияние сил сопротивления воздуха всегда проявляется при движении лыжника против потока воздуха. Однако, когда поверхность движущихся частей тела невелика или скорости малы (Например, рывок туловищем вверх при отталкивании ногой), сопротивление воздуха ничтожно. Более всего оно сказывается при больших скоростях. Здесь необходимы меры, снижающие сопротивление воздуха. Так, если лыжник на спуске сменит высокую стойку на низкую, лобовое сопротивление уменьшится почти в 3 раза. Этой же цели служит аэродинамическая обтекаемая стойка в скоростном спуске. Если же попутный ветер имеет скорость, одинаковую со скоростью лыжника, то сопротивление воздуха исчезает. При сильном попутном ветре (скорость воздуха больше, чем лыжника) поток воздуха служит уже не тормозящей, а движущей силой.
Использование мышечных сил. Силы тяги напряженных мышц служат главной силой в движениях лыжника. Как известно, мышцы напрягаются вследствие перехода химической энергии в механическую, потенциальную энергию напряжения при волевом усилии лыжника. Кроме того, если мышца, растягиваясь в уступающей работе, тормозит движение, то кинетическая энергия тормозимого звена переходит в потенциальную энергию упруго растянутой мышцы.
Энергия напряженной мышцы обусловливает силу ее тяги. Сила тяги либо разгоняет звено, либо, встречая равное сопротивление, фиксирует его в суставе, либо при преодолевающей тяге других сил (в том числе и мышечных) уступает, тормозит его. Последний вид работы — уступающая — увеличивает напряжение мышцы; наступающее вслед за этим преодолевающее движение в обратном направлении ускоряется тягой этой только что «заряженной» мышцы.
Полезное использование мышц заключается в своевременном их включении в работу для преодолевающей, фиксирующей и уступающей работы и в своевременном их выключении. Последняя встречается во всех движениях, регулируя их направление и быстроту (вектор скорости: его направление и величину). Без уступающей регулирующей работы мышц-антагонистов невозможно управление никакими точными движениями. Кроме управляющей роли, которая служит ведущей в спусках (горнолыжные виды) и в полете (прыжки с трамплина), преодолевающая работа мышц является единственным источником движения на равнине и подъемах. Сокращение мышц эффективнее и экономичнее, если перед преодолевающей работой мышца была растянута в произвольном движении и «заряжена» упругой энергией (подседание перед отталкиванием ногой). Так осуществляется управляющая и движущая роль работы мышц. Следует учитывать, что внешние силы в ряде случаев тоже играют роль движущих сил (силы тяжести на спуске, при разгоне на трамплине), и нужно умело их использовать.
Вредное влияние мышечных сил проявляется при управлении движениями (ошибки и недостатки в технике). Кроме того, несвоевременное, а также ненужное напряжение мышц-антагонистов ведет к двойной потере энергии как в самих тормозящих мышцах, так и в тех, чьей преодолевающей работе они мешают.
Нужно подчеркнуть, что поскольку все силы приложены к звеньям тела как к рычагам и маятникам, то для определения эффекта действия сил надо учитывать и плечи сил относительно оси вращения. Эффект зависит от произведения величины и ее плеча, иначе говоря, от момента силы. Последний зависит и от величины силы, и от угла ее приложения к звену. Поиск рациональных поз направлен на установление наиболее экономичных условий для работы мышечных и других сил, для наилучшего использования затраченной энергии. Важно создать лучшие условия для использования всех движущих сил и уменьшения вредных тормозящих сил любого происхождения.
Источник
