В предыдущих статьях мы с вами рассматривали вопрос о том, что движет лыжами. Сейчас пришло время наконец разобраться, что управляет их движением и как это происходит. Если посмотреть на хорошо катающегося горнолыжника, вызывает удивление то, что, отклоняясь в сторону на значительный угол он устойчиво едет в таком положении, а потом легко поднимается и опрокидывается в следующий поворот. Как он это делает?
Я сейчас изложу итоги моих долгих раздумий над механизмом этого «волшебства». Еще раз хочу заострить внимание на том, что хорошим способом управления можно считать тот, который не противоречит силам природы, а пользуется ими направляя в нужную сторону с наименьшими затратами собственных сил, то есть все должно происходить как бы, само собой. Размышляя над этой проблемой, я пришел к выводу, что главными силами, которые действуют на лыжника и позволяют при их помощи легко управлять лыжами — это опрокидывающие силы. Что это за силы и почему при помощи их можно управлять лыжами?
Дело в том, что у лыж, как мы знаем, нет ни руля, ни тормоза, ни коробки передач. Органами управления является само тело лыжника. Чтобы правильно управлять лыжами надо знать, что на лыжи и на тело лыжника при движении одни и те же силы действуют по —разному. Лыжи соприкасаются со склоном, и гравитация действует на них как скатывающая сила, просто разгоняя их в плоскости склона. Но лыжник не лежит на склоне, он стоит на лыжах и центр масс его тела, расположен над плоскостью склона выше точек опор примерно на высоте одного метра. Это система с неустойчивым равновесием. Если линия, исходящая из центра масс лыжника и показывающая направление силы, проходит между опор — тело не падает, если выходит за пределы опор — тело опрокидывается. Нам это состояние хорошо знакомо. Ведь мы единственные существа на планете, которые ходят на двух ногах и нам нравится находиться в таком неустойчивом равновесии. Сила, которая действует на центр масс это та же сила гравитации что разгоняет лыжи, но на тело лыжника она действует как опрокидывающая. Лыжи в этой системе играют роль опор и являются осями, центрами вращения, вокруг которых тело может опрокидываться или влево, или вправо.
Величина силы опрокидывания, действующая на центр масс лыжника, зависит от расстояния между линией опрокидывающей силы и осью вращения, это расстояние называется плечом силы (r). Опрокидывает не сама сила гравитации она примерно постоянная и равна F=mg, а произведение этой силы на плечо М=Fr. Эта величина называется моментом силы. И сейчас самое главное! У лыжника две лыжи, а значит и две оси вращения. Расстояние от линии тяжести, проведенное из центра масс лыжника до каждой из лыж разное, то есть имеется два плеча, у внутренней лыжи во время поворота оно меньше, у внешней больше. На фотографиях это хорошо видно. Сила гравитации — опрокидывающая сила обозначена синей стрелкой. Плечо силы до внутренней лыжи обозначено зеленом цветом, до внешней, красным. Это означает, что опрокидывающий эффект будет зависеть от того, какая из лыж в данный момент больше или меньше давит на снег. В понимании этого механизма и заключается тайна идеальной техники катания.
Рассмотрим поворот в технике чистого карвинга, на участке от начала до точки 1 на рисунке в статье «Управляющие силы в горнолыжном повороте». Как сделать вход в поворот? Встаем на параллельные лыжи и едем прямо вниз. Чтобы войти в левый поворот надо согнуть в колене левую ногу, правую оставить прямой. Обе лыжи ставятся на канты, центр тяжести смещается влево и вниз, появляется опрокидывающая сила с большим плечом до правой лыжи. Встав на канты, лыжи за счет боковых вырезов поедут по дуге влево.
При движении тела по дуге появится сила инерции, направленная от центра масс наружу дуги поворота. Она будет воздействовать на тело лыжника через ту же правую лыжу что и гравитационная опрокидывающая, но создавать вращательный момент в обратном направлении и потому будет поддерживать лыжника и не даст ему упасть внутрь поворота. Лыжник едет по дуге в таком необычном положении при далеко смещенном вбок центром тяжести, но не падает, потому что на него одновременно действуют два момента сил с одной осью вращения и направленных в противоположных направлениях. Вот так две самых великих сил природы гравитации и инерции, благодаря которым осуществляется гармония в космосе, пристроились к горнолыжнику помогая ему не падать, наслаждаться этим полетом и чувствовать себя частью вселенной.
. То, что лыжник едет и не падает говорит о том, что силы равны и он находится в динамическом равновесии. Равновесие осуществляется равенством моментов опрокидывания и поддерживания с основным плечом до правой лыжи. Если в этом положении попытаться распрямить левую ногу, то нагрузка сместится на левую ось системы, и момент опрокидывающей силы роняющей лыжника резко уменьшится, примерно в два раза. Это произойдет потому, что плечо до левой лыжи меньше чем до правой примерно в 2раза. М=F*r/2=1/2F*r. В результате момент поддерживающей силы будет преобладать над опрокидывающим. И если вы не будете мешать этому процессу и ослабите давление правой ноги, то сила инерции легко вытащит вас из левого смещения, и вы окажитесь в центральной стойке. Здесь очень важна синхронная работа обеих ног: левая разгибается, правая сгибается. Управление поворотами лыж сводится к минимальному усилию ног, которое нарушает равновесное состояние лыжника, далее всё делают опрокидывающие силы. Это так же как сделать шаг. Практически этот способ перехода ощущается как ходьба по склону в результате которой как по волшебству лыжи будут выписывать крутые виражи, а все из кресел подъемников будут смотреть только на вас.