Глава 6. Какие силы возникают в повороте?
German OsmakИтак, сноубордист едет дугами, делая повороты. Мы говорим о резанных (карвинговых) поворотах, так что радиус этих поворотов регулируется при помощи угла закантовки (рисунок 1, подробнее см. Главу 5):
Сноубордист едет с горки сверху вниз и делает повороты, стало быть, у него и у доски есть какое-то линейное ускорение сверху вниз, есть угловое ускорение в повороте, есть момент импульса в повороте, на тело человека действуют центробежная и центростремительные силы, которые зависят от положения тела, скорости и угла закантовки доски. Попробуем разобраться со всем этим ниже.
6.1. Линейное ускорение сверху вниз
Движение дугами может быть разложено на составляющие компоненты, при этом часть импульса (стар. количество движения), направленная вбок, будет меняться в зависимости от направления поворота, тогда как часть импульса направленная ровно вниз будет присутствовать всегда, если мы не движемся траверсом, т.е. поперек склона, что в общем случае опасно и следовательно не верно (см. Главу 2). Например, когда доска направлена и едет ровно вниз по склону, у неё отсутсвует боковое смещение => всё движение будет направлено ровно вниз по склону. Точно такие же компоненты движения будет иметь и тело на сноуборде, ибо как мы знаем из Главы 2 тело и сноуборд при катании должны двигаться в одном направлении, если этого не происходит, то это называется торможением.
Зачем нам про это знать?
У тела, едущего на доске сверху вниз, за счет этого движения, также имеется импульс, направленный сверху вниз. Пока доска движется наружу поворота, движение тела не мешает доске ехать. Как только доска проедет положение "ровно вниз по склону" и развернется внутрь поворота, то вся масса тела, умноженная на его скорость, начнет пытаться сорвать доску с канта. В этот же момент происходит наибольший выброс снега из под канта (см. Видео 1), так как тело пытается сместить доску с дуги дальше вниз по склону; из-за этого же факта у обучающихся происходит нестабильность доски и большинство падений.
Поэтому при катании эту фазу дуги нужно минимизировать. В момент перекантовки, тело перебрасывается внутрь следующего поворота и движение доски, которое мгновение назад было "внутрь", становится движением "наружу"; тело сново не мешает доске ехать.
6.2. Угловое ускорение и момент импульса
(материал взят из статьи на ski.ru)
Рассмотрим движение человека по окружности, например когда он катается на карусели
Допустим, человек сел в кресло в положении 1 и совершил оборот до положения 2 на угол 180 градусов в направлении, указанном стрелкой. Тогда, совершенно очевидно, что, для стороннего наблюдателя, тело этого человека, сидящего в кресле карусели, также совершило оборот на 180 градусов вокруг вертикальной оси, проходящей, например, через центр масс сидящего человека, причем в том же самом направлении. Т.е. в положении 1, мы видели левый бок сидящего человека, а в положении 2 стали видеть правый => тело также совершило вращение.
То есть для стороннего наблюдателя, человек в кресле карусели "как целое" двигается по дуге окружности (1-2), а в это же время этот сторонний наблюдатель видит, что тело этого человека вращается вокруг указанной вертикальной оси. Причем эти два вращения происходят с одинаковой угловой скоростью.
Если представить, что во время движения карусели кресло с человеком по какой-либо причине, потеряет контакт с каруселью, то для стороннего наблюдателя, который смотрит на карусель сверху, человек с креслом "как целое" полетит по прямой линии, направленной по касательной к дуге окружности, по которой двигалось кресло с человеком непосредственно перед моментом потери контакта с каруселью. Этот факт всем известен со школьных времен и никаких затруднений в его восприятии не имеется.
Сложнее с восприятием другого очевидного факта, а именно того, что указанное выше вращение тела человека вокруг вертикальной оси сохранится во время всего указанного полета человека "как целого". И это вращение будет наблюдаться сторонним наблюдателем, смотрящим на карусель сверху.
Оба указанных факта являются следствием законов сохранения импульса и момента импульса.
Зачем нам про это знать?
Как мы узнаем при обсуждении непосредственно техники карвинга. Человек должен двигаться на опережение доски, сохраняя положение "стойка минус" или "плечи вдоль доски". Но не достаточно это положение занять единожды на входе в дугу и замереть. Поддержание такого положения в дуге – это активное действие. Если начать дугу с положением тела "плечи вдоль доски" и замереть, то доска совершит поворот и на выходе из дуги плечи будут уже поперек доски. О том почему это важно, можно будет прочитать дальше в описании техники, или здесь, или здесь.
Момент импульса также может быть использован для прыжков с дуги 180 или 360.
6.3. Центробежная и центростремительная силы
(текст написан по мотивам статьи на ski.ru от туда же взяты иллюстрации)
Если налить в ведро некоторое количество воды и резким движением совершить вращение, то вода из ведра не выльется благодаря центробежной силе, которая будет "вжимать" воду ко дну ведра. Таким образом, центробежная сила – действует наружу поворота, выкидывая нас из него.
Многие инструктора любят говорить о центростремительной силе, но это не вносит большой ясности, более понятно будет принять инерциальную систему отсчета, центрированную телом и говорить об уравновешивании центробежной силы "выносом" центра масс, т.е. силой тяжести (mg), которая и пытается завалить нас на склон (рисунок 5).
В выбранной системе отсчета на лыжника действуют три силы:
1) сила тяжести – mg;
2) сила реакции склона – N, примерное направление которой для больших скоростей движения лыжника указано на рисунке. Именно эта сила дает "чувство упора" в ноги, о которой часто будет идти речь при обучении;
3) сила инерции, которая строго разбивается, на три компоненты, но будем называть её просто центробежной силой, на рисунке обозначена как:
В большей степени теоретический интерес представляет понимание того, а где же происходит "игра с центробежкой"? Для этого немного перерисуем рисунок 5 в схему 1 (вместе с пояснениями взята отсюда):
Из схемы 1 можно увидеть уравнение баланса:
Таким образом, "игра с центробежкой" происходит за счет перемещения центра масс, это примерно как нести тяжелый чемодан и перекладывать его из одной руки в другую. Взял чемодан в правую отколнился влево, чтобы сместить свой центр масс в сторону противоположенную чемодану. При катании на сноуборде центр масс перемещается за счет выноса таза, а вслед за ним и прямого/вертикального корпуса за границы заднего (бэксайд поворот) или переднего (фронтсайд поворот) канта.
Здесь уместно прояснить следующие два термина:
1) Ангуляция – термин обозначающий создание углов в теле, например в повороте на заднем канте в стойке "минус", т.е. плечи и весь корпус развернуты вдоль доски, наклон корпуса в тазобдренном суставе, т.е. уменьшение угла между прямым/вертикальным корпусом и бедрами, будет ангуляцией. Человек стоящий/лежащий ровно – это отсутсвие ангуляции. Если мы вытянемся ровно на горизонтальной гиперэкстензии, то это будет отсутсвие ангуляции; когда мы поднимем тело выше горизонта за счет уменьшения угла между бедром и голенью, т.е. согнул колени, то это будет ангуляция.
2) Инклинация – термин обозначающий угол наклона нашего центра масс, т.е. угол на который центр масс отклонился от вертикальной оси. Чем больше этот угол – тем сильнее "вынос" центра масс.
Итак, если центробежная сила большая, то нам надо сильно заклониться в поворот, т.е. увеличить инклинацию, что бы нас не выбросило из поворота до того, как мы этого захотим; если центробежной силы мало, то нам надо увеличить ангуляцию, чтобы уменьшить вынос центра масс, т.к. если он будет вынесен слишком далеко, центробежная сила не сможет его уравновесить и мы упадем на склон. Данное поясняет схема 2:
На схеме 2 показано направление и величина центробежной силы, которая действует на различные части тела сноубордиста (как говорили в сопромате - эпюра ЦБС) для случая "заклона" – 1 и "классической ангуляции" – 2 для достаточно большого угла закантовки. Красная линия (3) мгновенный центр поворота. Как мы рассмотрели выше (рисунок 1 и Главу 5) в процессе поворота угол закантовки увеличивается до апекса дуги => радиус поворота сокращается => в каждый следующий момент мгновенный центр поворота будет приближаться к нам всё ближе и ближе. С одной стороны, из этого следует необходимость увеличения ангуляции в процессе поворота, с другой стороны, необходимо также взять во внимание сокращающийся радиус и увеличивающуюся скорость, что ведет к увеличению центробежной силы, так что универсального решения здесь не существует. Однако, схема 2 прекрасно иллюстрирует причину почему ангуляция необходима, а её недостаток ведет к падениям.
Зачем нам про это знать?
Игры с центробежной силой – это то основное, чем люди занимаются в резанном повороте. Правильное её использование позволяет легко, без затрат сил выходить из поворота, совершать перекантовки, укладки или Dolphin Turn. Всё это возможно во многом благодаря центробежной силе и неплохо было бы понимать, как мы можем с ней "играться" при помощи своего центра масс.
6.4. Про загрузку носа сноуборда, вес на передней ноге и стойку "50 на 50"
В подавляющем большинстве обучающих роликов говорится про необходимость поддержания в резанном повороте веса "50 на 50". Предполагаю, что корень этой глупости лежит в желании равномерной загрузки канта, что если грубо и абстрактно, то верно.
Демонстрируя технику стоя на плоскости, естественным выводом будет, что чтобы загрузить кант равномерно необходимо держать вес "50 на 50". Однако, мы не катаемся на плоскости стоя. Катание – это движение, а не стояние. Катание на доске происходит с уклонов и на скорости...
Первое. Уклон. Попробуйте встегнуться в доску, закинув хвост на 3-4 тома большой советской энциклопедии. Уклон загрузит нос, чувствуется больше веса на передней ноге. Чтобы нос и хвост на уклоне грузить равномерно придется смещаться в сторону хвоста. А это мы еще не добавили скорость и дугу. . .
Второе. Дуга – это поворот. В повороте кант зарезается сильнее в склон за счет угла закантовки, увеличивается трение – всё это приводит к загрузке носа просто физикой поворота. Аналогично тому, как это происходит на машине. Если ехать прямо и резко выкрутить руль влево, то загрузится переднее правое колесо:
Таким образом, физика поворота тоже грузит переднюю ногу и нос сноуборда, и чем больше скорость и угол закантовки – тем больше грузится передняя нога -> надо еще сильнее отсаживаться на заднюю ногу, даже, чтобы добиться этой абстрактной равномерной загрузки канта.
Третье. Торможение. В каждом апексе дуги и после него доска тормозит. При торможении имеющаяся инерция утягивает райдера на переднюю ногу, как вылет в лобовое стекло, и чем больше скорости, тем сильнее эффект.
Четвертое. Состояние покрытия.
Чем мягче склон – тем сильнее доска зарезается в снег, увеличивается трение и увеличивается торможение -> пункты два и три начинают работать еще сильнее.
Чем тверже склон – тем более агрессивно по нему необходимо ехать, для сохранения стабильности, т.е. ставить доску на большие углы закантовки, а это скорость и резкие повороты, а это ситуация пункта два.
Резюме. При катании нет вообще никаких проблем с загрузкой носа и весом на передней ноге, но есть большие проблемы с недогрузкой хвоста. Физика поворота и уклон сами загрузят нос сноуборда, основаная же задача и частая проблема – это загрузить хвост и увести для этого максимум веса на заднюю ногу.
Большая часть проблем, возникающих в катании, таких как срывы, запилы, залипы, нестабильность, потеря контроля – все они возникают от недогруза задней ноги. Стойка "50 на 50" – это пограничное положение веса, с которого очень легко уйти на переднюю ногу в результате действия того или иного фактора. Как только вес уйдет на переднюю ногу что-то произойдет, в лучше случае – резкое сокращение радиуса дуги, в худшем случае – залипание в дуге и вылет с трассы... ну, а там как получится, может быть будет мягко, а может быть будет дерево.
Причины залипания у дуге. На бэке в первую очередь -> Недостаток веса на задней ноге. Чем жестче склон тем больше скорость -> больше углы закантовки -> больше нужно смещаться на заднюю ногу; больше уклон -> больше на заднюю ногу
Показатель того, что ты стоишь на задней ноге – ты можешь выйти из дуги в любой момент. Вообще в любой. Если этого нет -> больше смещение на заднюю ногу
6.5. Что ещё почитать на тему физики резаного поворота?
Три великолепные статьи на ski.ru по физике резанного поворота, которые легли в основу написания данного текста (раз, два, три). Описание физики резанного поворота на сайте boomberonline.ru, которое также использовалось для создания данного раздела. Книга John Howe "Skiing Mechanics". Канал Александра Ривлина, канал о лыжах, но в нём есть много материалов на тему физики поворота, которая, как известно, одинаковая.