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倾斜的一些原理

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在刻滑时,也就是我们俗称走刃的过程中,雪板会受到两个主要方向上的压力,用以维系理想刻滑的状态,一个是能让雪板发生形变的侧向压力,一个是给板刃向下的压力,用来产生摩擦力从而令板刃切割和抓轨。

这两个方向上的力产生原因很多,有一部分是合外力导致,有一部分是惯性力导致,还有一部分是运动系统内部模块之间的内力导致。但一些状态和动作,会导致产生或改变这两个力的结果,我们将其称之为基本状态和动作。这里面包括

倾斜(Inclination)

上-下(Up-Down,起伏,高姿-低姿)

伸展-收缩(Extension-Flexion 推-拉Push-Pull,上减重Up-unweighting,下减重Down-unweighting,增重Weighting)

反弓(Angulation)

而对这些基本状态和动作的控制技术,我们将其称之为压力控制(Pressure Control)。这里包括

旋转(Rotation)

减重和增重

质量和承重分布

支撑轴移动和交换

加速和减速

这次先来看最简单的一个基本状态——倾斜。

基本概念

倾斜(Inclination,Lean)不是动作(Movement),倾斜是由于坡面和离心力共同作用时所产生的状态(Position)。这与上-下(Up-Down)以及反弓(Angulation)是不同的,上-下和反弓不存在对于其他运动状态的依赖性,是动作。

倾斜的角度:支撑轴(AoS,参见第二篇)和坡面之间的夹角。由于雪板有宽度,因此支撑轴的移动,意味着换刃的过程,也意味着质心,以及核心(骨盆)的移动。

倾斜依赖于离心力(向心力转换坐标系后的效果力):

F 离心力是效果力,也是惯性力

m 是系统质量

r是理想状态下刻滑时的转弯半径,和雪板侧切半径和立刃角度的关系(参见第二篇):

因此离心力的大小主要取决于速度,换而言之倾斜姿态的角度主要取决于速度和重力分布的影响。(后面我们还会提到其他因素影响倾斜的细微因素,包括向着坡面旋转身体,或者通过设置板刃的角度,或者通过设置固定器靠背倾角,或者通过设置硬鞋倾角,但会发现这些因素也都不是主因,它们只是影响着压力控制,但是这些细节却决定了滑行的风格。)

受力分析

纯刻滑状态下(Purely Carving,理想状态),在坡面上建立一般情况下的雪板运动状态,考虑到雪板的运动方向的一般情况下的受力分析,与雪面等势线呈一定的角度:

g:重力加速度9.8 m/s²

α:雪道的坡面角度。当角度是零时为平坡。

β:雪板和坡面等高线(等势线)的夹角,由于X轴向的移动,重力会在此处做二次分解。

等势线,等高线:垂直于重力方向上的恒定的高度线。

下降线,滚落线:自由落体在坡面上的运动线路,此处为平行于坡面而垂直等势线。严格地说下降线和滚落线不完全是一致的。

Rt:转弯半径

v:雪板的即时速度,矢量方向指向雪板的运动方向。

X、Y :导向轴,Y 轴是垂直于坡面的立体坐标系, X 轴是沿着斜面平行,并垂直于速度 v,即时发生变化。

(注,假设坡面的表面是平面的,对于三维表面产生的影响忽略不计)

按照X、Y轴转换坐标系后进行受力分析,此处不以雪板为刚体,而是以雪板和滑雪者组成的系统中,我们可以看到,整个系统的倾斜角度和立刃角度之间的关系是由坡度,速度,位置等共同影响的,和向心力直接相关的:

θ:滑雪者的倾斜角度(倾斜角度不代表立刃高度,而是滑雪者为了维持平衡做的倾斜,倾斜角度是与坡面、雪面的夹角)

G:是系统的质心(包括滑雪者和雪板,可以被视为一个刚体)

P:雪板和雪面之间的最后接近的接触点,位于板腰中部的侧切顶点

L:P和G两点之间的距离,也是系统的转动平衡所处的轴,也就是支撑轴

Ac:瞬时处在x轴向的向心加速度,在这里被向心力公式 v² / Rt 所代替

F1:作用在 P点,方向在 X 轴向上的压力

N1:作用在P点, 方向在Y 轴向上的压力

v:质心的瞬时速度,方向和雪板运动方向一致,处在圆周运动的切线方向上

m是系统质量,m*g经过分解,在Y轴方向上,合力为0

在X轴方向上,满足向心力公式:

系统在PG所在的轴向上处于转动平衡的状态中,那么在质心所在的转动轴上(支撑轴),也就是在L上应该有合力矩为零,即 ∑M = 0,F1和N1沿着转动轴向上分解后,应该有如下等式:

带入方程得到:

带入立刃和转弯半径的关系,得出:

从而得出在一定的坡度时α,雪板处在一定的弯道角度β,拥有一定的速度时v,立刃角度φ和倾斜的角度θ之间的关系。

从公式可以看出,雪板所处的位置(β角度变化并不会对分式下面的值造成很大影响)对倾斜角度的影响不是主要的,而速度才是最主要的影响因素。

带入两个样本进行计算,已知在某个瞬间,万龙大奔头25度的坡度上,用侧切半径20米的大回转板,立刃60度,雪板转到60度的方向上:

弯道即时速度10米/秒(36公里/小时),带入方程后得到倾斜角度为

θ = 36.3°

但是当弯道即时速度飙升到20米/秒(72公里/小时),侧倾角度为:

θ = 11.9°

当速度为0时,雪板转到0度方向:

θ = 65°,这个结论符合在坡面上站立平衡的角度。

因此速度越快,所需要的倾斜就越大。

所以我们经常会看到滑快了以后的运动员会是这种样子:

甚至是这种样子:

上述离心力是对整个运动系统,作用在质心G上。但是实际情况,雪板和质心的线路轨迹不是完全重合的。这也就是造成了换刃时会遇到的惯性交叉力的原理,这个会在下面的篇幅讲述。

但是,在现实中我们并不用刻意考虑倾斜的角度,因为这是由身体发起自然的平衡状态,而过度倾斜或者倾斜不足都会导致失去平衡翻倒,或者失去抓地力而打滑。

一些推论

由上面的分析和推导,我们还可以得到一些有趣的推论和原理:

1. 当速度v为0,β角度也为0时,就是我们推坡卡在雪道上的平衡公式:

θ = 90° - α

2. 在坡面上刻滑时的最小入弯速度:

带入样本计算:

对于坡度25°,高山单板大回转板(20米侧切半径,立刃60度),最小刻滑入弯速度为6.44米/秒(23公里/小时),小回转板(11米侧切半径,立刃60度),4.77米/秒(17公里/小时)

对于坡度15°,高山单板大回转板(20米侧切半径,立刃60度),最小刻滑入弯速度为5米/秒(18公里/小时),小回转为3.74米/秒(13公里/小时)

3. 人体在刻滑时受到的过载:

带入样本计算:

当入弯速度20米/秒(72公里/小时),转弯半径10米时(高山单板大回转板,20米侧切半径,立刃60度),人体要承受的负荷是4g,也就是4倍体重。

当入弯速度16.7米/秒(60公里/小时),转弯半径5.5米(高山单板小回转板,11米侧切半径,立刃60度),人体要承受的负荷是5.2g,也就是5倍以上的体重。

普通人通常可以承受3个g,若要长时间承受4~5个g,那么除了肌肉的力量,滑雪时的身体框架的结构支撑要比肌肉力量更为重要,这个会在后面的一篇专门讲结构支撑的时候涉及。

4. 当θ + φ = 90°,即倾角和立刃角度呈直角,也就是我们很多人认为的支撑轴和立刃角度的理想的临界关系,这个关系虽然并不是完全“正确”的,但是在这里我们将这个临界关系带入方程,是会得到一些关于雪板侧切的有趣结论,它可以帮助我们进一步了解雪板的侧切,也会让第二篇文章更加有实际意义。

tanθ = g * cosα / ( g * sinα * cosβ + v² / (Rsc * cosφ) )

Rt = Rsc * cosφ  =>  cosφ = Rt / Rsc

tanθ = cosφ / sinφ

归并常数,令:

A = g * cosα

B = g * sinα * cosβ

(注:为什么替代这一组常数,除了计算方便,物理上的一个原因就是这样可以用来翻转坐标,让“斜坡”的作用从参照系中消失掉,这会在后面技术中继续讨论)

简化推导过程得到一元二次方程:

(B²/A² +1)Rt² + 2Bv²/A² * Rt +(v²v²/A² - Rsc²)= 0

可以得出与立刃角度无关的转弯半径公式:

当β从0°转到180°时,不考虑变速的理想情况下,可以绘制出如下针对不同侧切半径和坡度的图表:

纵轴:转弯半径,横轴:雪板和坡面等高线的夹角

蓝线:侧切半径9米,坡度15°,速度20公里/小时

橘线:侧切半径9米,坡度30°,速度30公里/小时

灰线:侧切半径20米,坡度15°,速度25公里/小时

黄线:侧切半径20米,坡度30°,速度35公里/小时

可以看到在缓坡时,大侧切半径的雪板和小侧切半径的雪板随着弯道的半径衰减都是在可以接受的范围内。但到了陡坡,小侧切半径的雪板的弯道半径衰减要更剧烈,这使得转弯变得困难。而大侧切半径的雪板则还是基本能够控制的。而且样本中大侧切半径的雪板要比小侧切半径的雪板速度快。

5. 当α=0,即平坡时,会导出几个结果

根据公式可以绘制如下图表:

横轴:立刃角度

纵轴:速度 公里/小时

蓝线:侧切半径20米

橘线:侧切半径16米

灰线:侧切半径11米

黄线:侧切半径8米

这个是在一定条件下的平坡上,转弯半径直接和侧切半径和速度有关,和立刃角度无关的等式,这将会得出非常有趣的结果,因为从等式可以得到一定侧切半径的雪板在平坡上的理论极限速度,即:

带入样本计算可知,大回转板的侧切半径20米,则最大速度为50.4公里/小时,小回转板的侧切半径为11米,则最大的速度为37.4公里/小时。侧切半径大的板子,可以支持更高的理论极限速度。当然,这只是特定理想条件下的一组推算值,可以作为对侧切认识的一种参考,实际的滑行状况要远比这些复杂得多(倾斜角度和立刃角度垂直,这很难做到),实际坡度的存在,滑行的速度的变化,造成实际转弯半径以及最高速度也都有很大差距。

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【本文来自微信公众号“滑雪族”】

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