Mekaniikka
Sisällysluettelo Alkusanat... 3 Yleistä mekaniikasta... 4 Voimat... 4 Painovoima... 4 Jatkuvuus... 4 Reaktiovoiman periaate... 4 Mekaniikka suorituksissa... 5 Oikolaskun mekaniikka... 5 Aurauksen mekaniikka... 5 Käännöksen mekaniikka... 6 Käytännön mekaniikkaa... 8 Aloittelija... 8 Expertti... 8 Kilpalaskija... 8 Laskijaan vaikuttavat voimat... 9 Laskuasennon vaikutus suoritukseen... 10 Tarkistettu painos 17.10.2010 Oula-Matti Peltonen Suomen Hiihdonopettajat ry 2003 2
Alkusanat ALKUSANAT " kuvaa laskun aikana vaikuttavia voimia ja selvittää, miten niitä voidaan käyttää ja mitkä ovat niiden vaikutukset. Mekaniikan perusteiden ymmärtäminen helpottaa oppimisprosessia sekä mahdollistaa taloudellisen ja tehokkaan lajitekniikan kehittymisen." Kuva 1. Mielikuva moottoripyöräilijästä kallistamassa ajokkiaan mutkassa, voi auttaa selventämään käsitystä vaikuttavista voimista käännöksessä, niitten vastustamisesta sekä kumoamisesta aktiivisella lihastyöllä sekä nojaamalla käännöksen keskipistettä kohti. Sivu 3. JATKUVUUS (=keskipakoisvoima) > < REAKTIOVOIMA (=keskihakuisvoima) Kuvissa jatkuvuutta vastustamassa Hermann Maier. 3
Yleistä mekaniikasta YLEISTÄ MEKANIIKASTA Voimat Voimat ovat joko 'työntäviä' tai 'vetäviä' ja ne muuttavat jokaisen niiden vaikutuksen piiriin joutuvan kappaleen asemaa. Voimat voivat muuttaa kappaleen muotoa, ne saattavat vaikuttaa kappaleen nopeuteen ja ne voivat sysätä paikoillaan olevan kappaleen liikkeeseen tai pysäyttää liikkeessä olevan kappaleen. Voimat saattavat myös muuttaa kappaleen kulkusuuntaa tai panna sen kääntymään ja pyörimään. Painovoima Painovoima luo edellytykset alppihiihdon harrastamiselle. Painovoima vaikuttaa, koska massat vetävät toisiaan puoleensa. Maapallon keskipiste vetää kaikkia massoja puoleensa. Maan vetovoima kohdistuu erikseen kappaleen jokaiseen osaan. Painovoima on riippuvainen kappaleen massasta. Painovoimaan vaikuttaa myös etäisyys maan keskipisteestä. Käytännössä painovoiman vaikutusta hillitsevät rinteen jyrkkyys, suksien ja lumen välinen kitka, ilmanvastus ja laskijan omat kääntävät ja jarruttavat voimat. Kappaleeseen vaikuttavat osapainovoimat vaikuttavat painopisteen kautta. Ihmisen painopiste vaihtelee vartalon asennosta riippuen. Perusasennossa laskijan painopiste sijaitsee lannenikamien korkeudella, lähellä selkärankaa, navan tienoolla. Jatkuvuus Jatkuvuus on 'voima', joka pyrkii pitämään kappaleen aseman entisellään. Alppihiihdossa jatkuvuuden voima tuntuu useimmiten muutosta vastustavana voimana nopeuden tai kulkusuunnan suhteen. Käytännössä hidastettaessa tai pysähdyttäessä jatkuvuus yrittää pitää laskijaa liikkeessä. Käännyttäessä jatkuvuus pyrkii säilyttämään laskusuunnan entisellään. Laskijan oman voiman avulla liikkeen nopeutta tai suuntaa voidaan muuttaa. Laskijaan vaikuttavat tärkeimmät elementit: 1. Painovoima 2. Laskijan nopeus ( suuruus, suunta/liikemäärä ja energia ) 3. Laskijan rinteeseen kohdistama hetkellinen voima ( koko käännöksen aikana tekemä työ) 4. Kitka suksen pituussuuntaan 5. Kitka suksen poikittaissuuntaan Reaktiovoiman periaate Voimalla on aina olemassa vastavoima, joka on samansuuruinen mutta vastakkaissuuntainen varsinaisen voiman kanssa. Jos Hermann Maier painaa jaloilla rinnettä 2000 N:n voimalla, työntää rinne häntä 2000 N:n vastakkaissuuntaisella voimalla. Kuva 2. 4
Mekaniikka suorituksissa MEKANIIKKA SUORITUKSISSA Oikolaskun mekaniikka Painovoiman rinteen suuntainen komponentti (kuva 3, G x ) kiihdyttää laskijan nopeutta (v). Lihastyöllään laskija kumoaa rinnettä kohtisuoraan olevan painovoiman komponentin (G y ). Hetkellisesti voimat voivat olla erisuuret laskijan muuttaessa painopistettä. Ilmanvastus ja suksen pituussuuntainen kitka hidastavat laskijan nopeutta. 'Kun eteenpäin vaikuttava liikevoima on suurempi kuin ilman ja lumen yhteenlasketut vastavoimat, laskija lähtee liikkeelle tai laskijan nopeus kiihtyy.' Aurauksen mekaniikka 'Kun laskija hidastaa vauhtiaan tai pysähtyy, hänen on vastustettava jatkuvuutta ja liikevoimaa vastavoimaa lisäämällä.' Käytännössä kääntämällä sukset auraan ja säätämällä kanttausta niin, että suksien ja lumen välinen kitka kasvaa. - Mitä suuremmalla voimalla työnnetään maata/lunta sitä suuremmalla voimalla lumi vastustaa laskijaa. Oikolaskuun verrattuna suksen pitkittäissuuntainen kitka korvataan yhdistelmällä, jossa tekijöinä ovat lisäksi suksen poikittaissuuntainen kitka ja suksien aurakulma. Mitä enemmän laskija hidastaa nopeuttaan, sitä enemmän hän joutuu tekemään aktiivista lihastyötä jaloillaan. Aurakäännöksessä laskija kuormittaa suksiaan erisuuruisesti, jolloin laskijan nopeuden suunta muuttuu. G = F = N = v = laskijan paino, joka voidaan jakaa rinteen suuntaiseen komponenttiin G x sekä rinnettä vastaan kohtisuoraan olevaan komponenttiin G y reaktiovoima rinteen laskijaan kohdistama tukivoima nopeus rinteen suunnassa Kuva 3. 5
Käännöksen mekaniikka KÄÄNNÖKSEN MEKANIIKKA 'Jos laskija haluaa muuttaa suuntaansa, hänen on käytettävä kääntävää voimaa, joka riittää kumoamaan jatkuvuuden vaikutuksen, mikä muussa tapauksessa pyrkisi jatkamaan laskijan liikettä suoraa linjaa pitkin (ks. kuva 4.). Käännöksessä käytettävää voimaa kutsutaan reaktiovoimaksi (=keskihakuisvoimaksi). Laskijan on suunnattava voima sivulle, käännöksen keskipistettä kohti ja voimaa on käytettävä käännöksen loppuun asti. Kun reaktiovoima lakkaa vaikuttamasta laskijaan, jatkuvuus astuu tilalle, jolloin laskija liikkuu suoraa linjaa, joka on käännöksen tangentti. Käännöksen mekaniikassa jatkuvuutta kuvataan usein keskipakoisvoimana, joka suuntautuu käännöksen keskipisteestä poispäin >< reaktiovoima (=keskihakuisvoima) taas suuntautuu käännöksen keskipistettä kohti. Käytännössä laskija luo keskihakuisen voiman painamalla kantattuja suksia lumen pintaa vasten. Lumen vastus synnyttää yhtä suuren vastavoiman, joka vaikuttaa sivusuunnassa ja oikeassa kulmassa kulkusuuntaan nähden. Reaktiovoiman (=keskihakuisvoiman) ansiosta laskijan liikerata on kaareva. JATKUVUUS = keskipakoisvoima REAKTIOVOIMA = keskihakuisvoima Kuva 4. Laskijan nopeuteen vaikuttavia voimia sivusta katsottuna (ks. kuva 5.): Ilmanvastus Suksen pituus- ja poikittaissuuntainen kitka Rinteen jyrkkyys ( painovoiman rinteen suuntainen komponentti) Edellä mainittujen voimien vaikutukset aiheuttavat päänvaivaa lähinnä kilpalaskijoille. 6
Käännöksen mekaniikka F v F μ LASKIJAN NOPEUTEEN VAIKUTTAVAT VOIMAT: α F v = ILMANVASTUS F μ = KITKA α = RINTEEN JYRKKYYS Kuva 5. 7
Käytännön mekaniikkaa KÄYTÄNNÖN MEKANIIKKAA ' Lajisuorituksena alppihiihto on monen tekijän summa. Jokainen laskutekniikka koostuu perustaitojen tarkoituksenmukaisesta yhdistämisestä, olosuhteiden huomioon otosta sekä laskijaan vaikuttaviin voimiin sopeutumisesta ja hyväksikäytöstä.' Aloittelija Saadakseen suksensa kääntymään aloittelija joutuu hitaassa vauhdissa tekemään voimakkaita kääntäviä liikkeitä, vartalon rotaatioita, jotka suomalaisessa hiihdonopetuksessa pyritään aloittelijalle opettamaan myötäkiertoisina eli käännöksen suuntaan suuntautuvina vartalon kiertoina. Expertti Taidollisesti edistyneempi laskija käyttää kääntäessään hyväksi suksen ominaisuuksia, laskijaan vaikuttavia voimia sekä vallitsevien olosuhteiden erityispiirteitä ( puuteri, tykkilumi, jää,...). Kilpalaskija Nykypäivän suksiteknologia helpottaa suksen kuljettamista leikkaavasti käännöksen läpi. Oleellista onkin tasaisen paineen ylläpito käännöksen aikana kantillaan olevilla suksilla, jolloin kuormituksen voimaa oikein ajoittamalla käännöksen aikana aktiivisella lihastyöllään laskija voi ylläpitää optimaaliset ajolinjat sekä hyödyntää/ suunnata jatkuvuutta (=keskipakoisvoimaa) käännöksessä. Pyrittäessä suuntaamaan jatkuvuuden vaikutus suoraan kohti uutta käännöstä laskija pystyy ylläpitämään ja kiihdyttämään nopeuttaan tiettyyn rajaan asti. Vertaa kuormittamisen ajoitusta ja jatkuvuuden suuntaamista ratalaskussa oikolaskuun aaltoladulla. Kuormitettaessa hetkellisesti aallon pohjassa lihastyöllään laskija ylläpitää ja jopa kiihdyttää vauhtiaan. Ratalaskussa/ leikkaavassa laskussa laskijaan kohdistuva voima kasvaa kohti käännöksen loppua. - Suuntaamalla jatkuvuuden vaikutuksen uuteen käännökseen ja ylläpitämällä paineen kantillaan olevilla suksilla käännöksessä laskija ylläpitää/ kiihdyttää nopeuttaan sekä säilyttää optimaaliset ajolinjat. aaltolatu Kuva 6. 8
Käytännön mekaniikkaa Laskijaan vaikuttavat voimat Laskettaessa suoraan kovalla vauhdilla laskija tuntee lähinnä painovoiman ja liikevoiman vaikutukset, johtuen pinnanmuotojen vaihteluista ( jyrkänteet, kummut, loivat osuudet,...). Tällöin laskija pyrkii työskentelemään vaikuttavia voimia vastaan jalkojen jousto-ojennus liikkeillä sekä ylläpitämään tasapainoaan etenkin suksen suuntaisesti (ks. kuvat 1. ja 7.). Laskettaessa kovavauhtisesti leikkaavia käännöksiä ( esim. suurpujottelu, super-g, carvingvapaalasku), vaikuttaa laskijaan edellä mainittujen lisäksi merkittävästi jatkuvuus = keskipakoisvoima, jonka vaikutus voimistuu käännöksen lopussa, jolloin laskija joutuu vastustamaan kyseistä voimaa aktiivisella lihastyöllä, tehostamalla kanttausta sekä nojaamalla käännöksen keskipistettä kohti. Kanttauksen säätelyn voimakkuudesta riippuu käännöksen säde, nopeuden muutos ja onko lopputuloksena leikkaava tai luisuva käännös. P = Fp = Fcf = Fro = Frv = painopiste laskijan massa keskipakoisvoima reaktiovoiman vaakasuora komponentti reaktiovoiman pystysuora komponentti Kuva 7. 9
Käytännön mekaniikkaa Laskuasennon vaikutus suoritukseen Dynaaminen laskuasento Etenkin kovavauhtisissa dynaamisissa leikkaavissa käännöksissä laskijaan kohdistuu suuria vaikuttavia voimia. Toimiakseen ergonomisesti, mahdollisimman taloudellisesti ja ennen kaikkea tehokkaasti laskijan tulee työskennellä tasapainoisesti niin sanotulla efektiivisellä voimalinjalla, jolloin vartalon liike sekä jousto-ojennukset tapahtuvat optimaalisessa suunnassa vaikuttaviin voimiin nähden (ks. kuva 7.). Virheliikkeet ja liikkuminen voimalinjan 'vieressä' kuluttaa turhaan energiaa sekä luo epätasapainoa suoritukseen. Myös monet selkeät tekniikkavirheet juontuvat virheellisistä liikesuunnista suksien päällä: Tasapaino-ongelmat, ongelmat kuormittamisen, etenkin painonsiirron suhteen, leikkaavuuden hahmottamisvaikeudet, jne... Kilpalaskijan suorituksessa parhaimmillaan yhdistyvät optimaalisimmat ja voimantuotollisesti tarkoituksenmukaisimmat (=ergonomisimmat) liikesuunnat vaikuttaviin voimiin nähden/ niitä hyödyntäen, ottaen huomioon vielä ilmanvastuksen aiheuttamat erityisvaatimukset dynaamiselle, matalalle laskuasennolle. 10