STUDIA I MONOGRAFIE NR 63

NARCIARSTWO BIEGOWE

5. PODSTAWY BIOMECHANIKI

BIEGÓW NARCIARSKICH

Tadeusz Ruchlewicz

*

Biegi narciarskie zaliczane są do tej kategorii ruchów lokomocyjnych

człowieka, podczas których wykorzystuje się dodatkowy sprzęt – narty, kijki.

W porównaniu z naturalną formą lokomocji, jaką jest bieg lekkoatletycz-

ny – narciarstwo biegowe charakteryzuje się znacznie większymi zmianami

prędkości, zależnymi od profilu trasy biegowej. Dzięki zastosowaniu kijków

siły wewnętrzne (mięśniowe), będące przyczyną ruchu, nie ograniczają się

wyłącznie do partii mięśniowych poruszających kończyny dolne.

Technika biegu narciarza jest znacznie bardziej złożona niż technika biegu

lekkoatlety, stąd też rezultat końcowy biegu narciarskiego zależy w większym

stopniu od sposobu realizacji aktów ruchowych niż np. rezultat biegu lekkoatle-

ty długodystansowca. W trakcie biegu narciarskiego występują ciągłe zmiany

profilu trasy biegowej, różnicuje się też odpowiednio prędkość ruchu. Wiążą

się z tym nieustanne zmiany układu sił, będącego przyczyną ruchu narciarza.

5.1. Siły zewnętrzne działające podczas biegu narciarskiego

Przyczyną ruchu narciarza jest zawsze wypadkowa układu sił działających

na jego ciało. Układ sił zależy głównie od profilu trasy biegowej, która może być

płaska lub nachylona w stosunku do poziomu. Na terenie płaskim i na podbiegu

siły napędowe generowane są w układzie mięśni szkieletowych człowieka. Na

zjeździe – jeżeli nie występuje konieczność zmiany kierunku ruchu – napęd za-

pewnia siła ciężkości. Opory ruchu – powodowane tarciem nart o śnieg, a także

wynikające z przemieszczania się narciarza wraz ze sprzętem w ośrodku powietrz-

nym – zależą zarówno od nachylenia trasy biegowej, jak i od prędkości ruchu.

Siła ciężkości i jej wpływ na ruch narciarza

Siła ciężkości Q = mg (gdzie: m – masa ciała wraz ze sprzętem, g – przy-

spieszenie ziemskie) działa pionowo w dół, a jej wielkość podczas biegu nar-

ciarskiego nie ulega zmianom (zmiany wartości g wraz z wysokością można

* AWF Kraków

88

Tadeusz Ruchlewicz

pominąć, zmiany masy ciała są stosunkowo

niewielkie). Zmienia się jednak kierunek

ruchu narciarza – co powoduje, że kierunek

działania siły ciężkości może być prostopa-

dły do kierunku ruchu (ryc. 13) lub tworzyć

z nią kąt różny od 90

0

(ryc. 14 i 15).

W pierwszym wypadku siła ciężko-

ści, działając prostopadle do podłoża, jest

równoważona przez siłę reakcji (R), nie

stanowi więc oporu dla ruchu postępowe-

go narciarza (należy zaznaczyć, że wpływa

ona istotnie na pionowe przemieszczenie

środka ciężkości ciała, występujące pod-

czas odbicia). Na podbiegu

(ryc. 14)

skła-

dowa Q

1

– równoległa do stoku – ma zwrot

przeciwny niż przemieszczenie biegacza. Jest

więc siłą oporu. Wielkość składowej Q

1

ro-

śnie wraz ze zwiększaniem kąta nachylenia

stoku od 0 do 90° (Q

1

= mgsinα).

Podczas zjazdu kierunek i zwrot składo-

wej Q

1

są zgodne z przemieszczeniem nar-

ciarza (ryc. 15). Składowa Q

1

stanowi w tym

wypadku siłę napędową (jeżeli narciarz nie

odbija się ani nie odpycha kijkami jest to je-

dyna siła napędowa). Składowa Q

2

=mgcosα

– prostopadła do stoku – decyduje o wielko-

ści nacisku nart na śnieg i ma wpływ na siłę

tarcia. Jej wielkość maleje wraz ze zwiększe-

niem się kąta nachylenia stoku.

Tarcie

Siły tarcia występujące pomiędzy nar-

tami a śniegiem stanowią niezwykle istotny

problem w biegach narciarskich, szczegól-

nie w wypadku techniki klasycznej. Pod-

czas poślizgu siła tarcia T działa odwrotnie

niż kierunek ruchu, wykonuje więc pracę

ujemną, zmniejszającą energię mechaniczną

narciarza; podczas odbicia klasycznego siła

Ryc. 13. Siła ciężkości Q i siła reakcji
podłoża R podczas biegu na płaskim

odcinku trasy narciarskiej

Ryc. 14. Składowe siły ciężkości Q na

podbiegu: Q

1

= Qsinα = mgsinα;

Q

2

= Qcosα = mg cosα

Ryc. 15. Działanie siły ciężkości Q pod-

czas zjazdu: Q

1

= sinα;

Q

2

= Qcosα

89

5. Podstawy biomechaniki biegów narciarskich

tarcia zapobiega ślizganiu się narty do tyłu. W pierwszym wypadku (poślizg)

tarcie należy minimalizować, w drugim, tzn. podczas odbicia, tarcie powinno

być możliwie duże. W technice łyżwowej – ze względu na sposób odbicia

– dąży się jedynie do minimalizowania siły tarcia pomiędzy ślizgiem narty

a śniegiem.

Wielkości siły tarcia T = Nf, gdzie:

N – wielkość nacisku pomiędzy powierzchniami trącymi,

f – współczynnik tarcia.

W przypadkach, gdy narty przemieszczają się po powierzchni śniegu,

mamy do czynienia z tarciem kinetycznym; podczas odbicia klasycznego, gdy

narta nie porusza się względem podłoża, występuje tarcie statyczne. W obu

przypadkach współczynniki tarcia są różne; współczynnik tarcia statycznego

jest większy niż współczynnik tarcia kinetycznego.

W biegu klasycznym, gdzie wielkość tarcia w fazie poślizgu musi być

zmniejszana, a podczas odbicia zwiększana, problem ten rozwiązano poprzez

odpowiednie smarowanie nart biegowych. Przednie i tylne części nart pokrywa

się smarami umożliwiającymi zmniejszenie współczynnika tarcia. Część środko-

wą narty (pod stopą) pokrywa się smarem zwiększającym współczynnik tarcia.

Wielkość współczynnika tarcia, która zależy od charakterystyki po-

wierzchni trących, można określać dwojako: w przypadku badania właściwo-

ści smarów biegowych można nartę ciągnąć po płaskiej nawierzchni pokrytej

śniegiem, przy użyciu dynamometru. Gdy ruch narty będzie odbywał się ze

stałą prędkością – wskazanie dynamometru będzie równe sile tarcia. Dzieląc

zmierzoną siłę tarcia przez ciężar narty uzyska się wielkość współczynnika

tarcia (f = ).

Drugim sposobem obliczania współczynnika tarcia jest zastosowanie

równi pochyłej. Umieszczając nartę na specjalnie zbudowanej równi pochyłej,

umożliwiającej pomiar kąta nachylenia, można zarejestrować wielkość kąta,

przy którym narta będzie się zsuwać po równi ruchem jednostajnym. W tym

wypadku wielkość siły powodującej ruch narty w dół będzie równa składowej

siły ciężkości narty, równoległej do równi (Q

1

) a więc mgsinα. Ze względu

na niewielki opór powietrza, którego wielkość można pominąć, opór w tym

ruchu będzie równy sile tarcia T = mgcosαf.

mg sinα = mg cosαf

stąd:

f

=

T

Q

mg sinα

mgcosα

= tgα

90

Tadeusz Ruchlewicz

Współczynnik tarcia będzie więc równy tangensowi kąta nachylenia rów-

ni, przy którym narta będzie się zsuwać w dół ruchem jednostajnym.

Wprowadzenie techniki łyżwowej w biegach narciarskich spowodowało

wyeliminowanie problemu tzw. smarowania „na odbicie”. Podczas wyko-

nywania odbicia łyżwowego z wewnętrznej krawędzi narty, wielkość siły

tarcia jest taka duża, że biegacz może działać na podłoże bardzo dużą siłą bez

obawy o poślizg. W technice klasycznej kąt odbicia i siła nacisku są zawsze

limitowane wielkością siły tarcia.

Wielkość współczynnika tarcia nart o śnieg zależy nie tylko od właści-

wości ślizgów i użytych smarów, ale także od rodzaju śniegu. W zależności

od rodzaju śniegu i właściwości ślizgów nart współczynniki tarcia kinetycz-

nego wahają się w zakresie od 0,03 do 0,20. Wyższe wartości występują, gdy

śnieg jest mokry, niższe gdy suchy i dobrze ubity. Warto dodać, że wielkość

współczynnika tarcia zależy także od prędkości jazdy. Przy prędkościach do

około 5 m/s maleje, a przy zbliżających się do 10 m/s, zwłaszcza na mokrym

śniegu – wzrasta.

Opór powietrza

Wielkość oporu powietrza jest niezwykle istotnym czynnikiem we wszyst-

kich ruchach lokomocyjnych człowieka. Siła oporu powietrza jest także dla

narciarza biegacza siłą oporu, skierowaną przeciwnie niż ruch.

Wielkość oporu powietrza można przedstawić w postaci:

gdzie:

F

p

– opór powietrza (N),

C

x

– współczynnik oporu,

γ – gęstość powietrza (kgm

-3

),

S – powierzchnia ciała prostopadła do kierunku ruchu (m

2

),

v – prędkość ruchu ciała względem cząsteczek powietrza (ms

-1

).

Opór proporcjonalny do kwadratu prędkości występuje przy prędko-

ściach mniejszych od prędkości dźwięku w powietrzu.

Współczynnik oporu C

x

zależy od kształtu ciała, gładkości jego powierzchni

i od prędkości ruchu. Jego wielkość mierzy się w tunelach aerodynamicznych.

Na rycinie 16 przedstawiono wielkość C

x

dla ciał o jednakowym przekroju

i różnym kształcie. Jak widać, najmniejsze wartości C

x

mają ciała o kształcie

kropli. Wartości podanych współczynników mają jedynie charakter informa-

F

p

=

c

x

γSv

2

2

91

5. Podstawy biomechaniki biegów narciarskich

cyjny. W każdym przypadku należałoby podać

zależność wielkości współczynnika od liczby

Reynoldsa, która informuje czy charakter opły-

wu powietrza wokół poruszającego się ciała

jest spokojny (laminarny), czy też burzliwy

(turbulencyjny). Współczynnik oporu C

x

dla

ciała ludzkiego waha się od 0,7 do 1,1. Po-

wierzchnia czołowa S w pozycji wyprostowa-

nej wynosi od 0,7 do 1 m

2

, w średniej od 0,1

do 0,7 m

2,

a w niskiej od 0,4 do 0,6 m

2

.

Zależność oporu powietrza od prędkości

ruchu dla narciarza jadącego w pozycji śred-

niej i niskiej przedstawiono na rycinie 17. Jak

z niej wynika, zależność pomiędzy siłą oporu

powietrza dla biegacza narciarskiego najlepiej

oddaje krzywa A. W tym wypadku zależność

ma postać: F

p

= 0,5 v

2

. Oznacza to, że pod-

czas biegu z prędkością 7 m/s opór powietrza

wynosi około 24,5 N. Podczas zjazdu z pręd-

kością 20 m/s opór wynosiłby około 200 N.

Ryc. 16. Współczynniki oporu (c

x

) dla

ciał o jednakowym przekroju

i różnym kształcie

Ryc. 17. Zależność oporu powietrza od prędkości ruchu człowieka w pozycji średniej (A) i niskiej (B)

Niezależnie od siły oporu czołowego powietrza narciarz napotyka także

na opór związany z tarciem cząsteczek powietrza o jego ciało. Nie jest więc

obojętne czy strój biegacza jest gładki (mniejsze tarcie), czy też nie.

Należy zauważyć, że bieg techniką łyżwową związany jest z utrzymaniem

nieco niższej pozycji niż bieg techniką klasyczną. Sprzyja to zmniejszeniu

oporów ruchu związanych z przemieszczaniem się w powietrzu.

92

Tadeusz Ruchlewicz

Siły reakcji podłoża

Ruchy lokomocyjne człowieka

podczas biegu, w tym także biegu

narciarskiego (z wyjątkiem odcinków

zjazdu), wymagają stałego oddziały-

wania na podłoże w postaci odbijania

się lub odpychania. Siły konieczne do

wywarcia nacisku na podłoże rozwija-

ne są przez mięśnie kończyn dolnych

(odbicia) i górnych (odepchnięcia). Są

to akty cykliczne, oddzielone od siebie

fazami poślizgu na nartach. Zarówno

siły wytwarzane podczas odbicia, jak

i odepchnięcia skierowane są do tyłu,

a więc odwrotnie niż kierunek ruchu.

Zgodnie z III zasadą dynamiki nacisk

na podłoże powoduje wywołanie siły

reakcji działającej w tym samym kie-

runku, lecz przeciwnie zwróconej.

Ryc. 18. Nacisk na podłoże (N) i jego składowe
oraz składowe siły reakcji podłoża (R) podczas

wykonywania odbicia klasycznego

Kierunek siły reakcji – podobnie jak kierunek siły nacisku na podłoże –

nie jest zgodny z kierunkiem ruchu, lecz tworzy z nim kąt ostry. Jeżeli przyjąć

układ współrzędnych związanych z powierzchnią, po której porusza się biegacz,

można w tym układzie znaleźć składowe wektora siły reakcji, które kształtują się

nieco inaczej w wypadku techniki klasycznej (ryc. 18) i łyżwowej (ryc. 19).

Klasyczny sposób realizacji biegu narciarskiego można traktować jako

ruch odbywający się w jednej płaszczyźnie. Nacisk na podłoże wykonywany

podczas odbicia wywołuje siłę reakcji, której wektor

R ma kierunek siły

nacisku i przeciwny zwrot. W płaskim układzie współrzędnych, którego oś

x jest równoległa do kierunku ruchu, można znaleźć składowe wektora

R,

których wielkości wynoszą:

R

x

= Rcosα

R

y

= Rsinα.

Wielkość Rx decyduje o ruchu postępowym narciarza, Ry wpływa na ruch

środka ciężkości ciała pionowo w górę. Wielkość R zmienia się jak cos kąta

odbicia. Oznacza to, że największe wartości tej składowej uzyskuje narciarz

przy możliwie małych kątach odbicia. Biegacz nie może jednak zmniejszać

tego kąta dowolnie. Wartość graniczna kąta odbicia limitowana jest wielkością

siły tarcia. Jeżeli siła tarcia (T) jest mniejsza od składowej poziomej siły

nacisku N

x

(ryc. 18), odbicie kończy się poślizgiem narty do tyłu.

93

5. Podstawy biomechaniki biegów narciarskich

Podczas odbicia łyżwowego noga odbi-

jająca odsunięta jest w bok od płaszczyzny

ruchu, podudzie ustawione ukośnie zarówno

w płaszczyźnie strzałkowej, jak i czołowej,

kolano skierowane do przodu i dośrodkowo.

Taki sam kierunek przyjmuje wektor siły re-

akcji podłoża R (ryc.19). Wielkość poszcze-

gólnych składowych wektora R wpływa na

różne elementy ruchu narciarza: składowa R

x

stanowi siłę napędową biegacza, składowa R

y

powoduje przeniesienie środka ciężkości ciała

w kierunku narty podporowej, składowa R

z

(pionowa) jest przyczyną unoszenia środka

ciężkości ciała. Odepchnięcie kijkami – po-

dobnie jak podczas odbicia – pozwala na wy-

wieranie nacisku na podłoże. W tym wypadku

powstająca siła reakcji podłoża i jej składowe

kształtują się w obu technikach biegowych jak

podczas odbicia.

Ryc. 19. Siła reakcji podłoża (R) i jej
składowe R

x

, R

y

, R

z

podczas wykony-

wania odbicia łyżwowego

Ze względu na budowę kijka narciarskiego, który zakończony jest ostrym

grotem, rzadko występuje niebezpieczeństwo ześlizgnięcia się kijka po pod-

łożu. W tym przypadku graniczny kąt odepchnięcia nie jest limitowany zbyt

małym tarciem, ale konfiguracją ciała w momencie zakończenia odepchnięcia.

Ryc. 20. Równowaga dynamiczna
narciarza podczas wykonywania
skrętu: Q – siła ciężkości, F

0

– siła od-

środkowa

Warto dodać, że wielkość siły reakcji za-

leży także od podłoża, po którym porusza się

narciarz. Jeżeli trasa biegowa nie jest dobrze

ubita, nacisk rozwijany przez biegacza nie za-

pewnia spodziewanej siły reakcji. Część siły

nacisku zostaje zużyta na wykonanie pracy

związanej z deformacją podłoża.

Siły działające podczas zmiany kierunku
jazdy

Podczas ruchu krzywoliniowego (na za-

krętach) – nawet w tym wypadku, gdy wartość

jest stała – występuje siła dośrodkowa, będąca

przyczyną zmian kierunku ruchu. Narciarz

pochyla się wówczas do wewnątrz skrętu.

Zgodnie z III zasadą dynamiki, jako reakcja

94

Tadeusz Ruchlewicz

na siłę dośrodkową powstaje siła odśrodkowa, działająca na zewnątrz. Jeżeli

wypadkowa siły ciężkości Q i siły odśrodkowej F

o

nie trafia w płaszczyznę

podparcia (zbyt duża siła odśrodkowa), jazda po łuku kończy się upadkiem

(ryc. 20).

Ze względu na stosunkowo niewielką prędkość ruchu w biegach nar-

ciarskich, siły odśrodkowe nie stanowią w tej konkurencji sportowej takiego

zagrożenia, jak w narciarstwie zjazdowym. Wielkość siły odśrodkowej zależy

bowiem od kwadratu prędkości liniowej i promienia skrętu:

gdzie: m – masa ciała (kg)

v – prędkość liniowa (ms

-1

)

r – promień skrętu (m)

Siła odśrodkowa, należąca do kategorii sił bezwładności, przyłożona jest

do ciała narciarza. Można ją więc traktować jako siłę wewnętrzną, związaną

z ciałem człowieka, mimo że powstaje wskutek przyspieszenia normalnego

(dośrodkowego), występującego w ruchach krzywoliniowych. Siła dośrodkowa

jest siłą zewnętrzną. Jest ona równa sile tarcia pomiędzy nartami a podłożem,

skierowanej do wewnątrz skrętu. Przy nagłym zmniejszeniu wielkości tego

tarcia następuje poślizg i wówczas narciarz wykonujący skręt „wylatuje” z toru

krzywoliniowego (wirażu) poruszając się po stycznej do krzywizny skrętu.

5.2. Siły mięśniowe

Siły reakcji podłoża, będące pośrednią przyczyną ruchu postępowego

narciarza, są siłami biernymi. Powstają one jako odpowiedź na działanie

sił czynnych, tj. sił ciężkości i sił rozwijanych przez mięśnie szkieletowe.

Podczas biegu narciarskiego w jego węzłowych fazach, tj. podczas od-

bicia i odepchnięcia, angażowane są zarówno partie mięśniowe kończyn

dolnych i górnych, jak również mięśnie tułowia. W przypadku odbicia siła

nacisku wywierana przez kończynę dolną na podłoże jest rezultatem pracy

mięśni zginających stopę podeszwowo. Podczas odepchnięcia obserwuje

się na początku ruchu, w fazie określanej popularnie „przyciąganiem kij-

ka”, pracę zginaczy stawu łokciowego. W drugiej fazie odepchnięcia ruch

kończyny górnej jest wynikiem pracy mięśni prostujących stawy łokciowy

i ramieniowy. Podczas zjazdu siłę napędową stanowi siła ciężkości narciarza

wraz ze sprzętem (składowa równoległa do stoku); mięśnie kończyn dolnych

(prostowniki stawów biodrowych i kolanowych) rozwijają siły niezbędne do

F

o

= mv

2

r

95

5. Podstawy biomechaniki biegów narciarskich

zrównoważenia ciężaru ciała. Ich praca w tej fazie biegu narciarskiego ma

charakter zbliżony do pracy statycznej, jakkolwiek w wypadku występowania

nierówności lub przy zmianach nachylenia stoku mięśnie kończyn dolnych

zmieniają swoją długość spełniając zadanie amortyzacyjne.

Działanie mięśni podczas odbicia i odepchnięcia

Zmiany w technice biegów narciarskich, polegające na wprowadzeniu

kroków łyżwowych, mogą sugerować, że podczas realizacji faz napędowych,

a szczególnie odbicia, mogło dojść do zmiany w pracy mięśni. W rzeczywistości

odbicie realizowane jest przez te same grupy mięśniowe, które pracują podczas

biegu techniką klasyczną. Istotna zmiana dotyczy jedynie ustawienia kończyny

dolnej w fazie odbicia. Podczas biegu techniką klasyczną ruchy w głównych

stawach kończyny dolnej wykonywane są w płaszczyźnie strzałkowej natomiast

przy realizacji kroków łyżwowych w stawach biodrowych dochodzi do znaczne-

go odwodzenia. Odbicie realizują jednak te same mięśnie „taśmy prostowników”

kończyn dolnych, a więc prostowniki stawów biodrowych (m. pośladkowy

wielki, m. półścięgnisty, m. półbłoniasty, m. dwugłowy uda), prostowniki sta-

wów kolanowych (m. czworogłowy uda) oraz zginacze podeszwowe stopy (m.

brzuchaty łydki, m. płaszczkowaty, mm. strzałkowe, m. zginacz długi palców, m.

zginacz długi palucha). Ważniejsze mięśnie odpowiedzialne za realizację odbicia

przedstawione są na rycinach 21–23.

Warto zauważyć, że odmienny sposób

odbicia w technice łyżwowej angażuje w większym stopniu mięśnie odwodzące

stawy biodrowe, a więc takie jak: m. pośladkowe średni i mniejszy oraz m. na-

prężacz powięzi szerokiej. Nie bez znaczenia dla odbicia łyżwowego jest także

zwiększenie ruchomości w stawach biodrowych poprzez rozciągnięcie struktur

więzadłowych tych stawów, a także mięśni z grupy przywodzicieli (ich bierne

naprężenie mogłoby powodować opory w trakcie odwodzenia uda).

Ruch odepchnięcia realizowany jest przez mięśnie obręczy barkowej,

mięśnie ramienia i mięśnie przedramienia. Na rycinie 24 przedstawione

są główne zespoły mięśniowe odpowiedzialne za napęd wytwarzany przez

kończyny górne. W ruchu odepchnięcia uczestniczą mięśnie prostujące stawy

ramienne (m. naramienny – akton tylny, m. obły większy oraz głowa dłu-

ga mięśnia trójgłowego ramienia) prostujące stawy łokciowe (cały mięsień

trójgłowy ramienia) oraz niektóre mięśnie przedramienia a szczególnie te,

które są odpowiedzialne za przywodzenie w stawach promieniowo-nadgarst-

kowych (m. in. m. zginacz łokciowy nadgarstka, m. zginacz głęboki palców,

m. prostownik łokciowy nadgarstka). Ważnym mięśniem wspomagającym

odepchnięcie jest m. najszerszy grzbietu, przedstawiony na rycinie 25, który

cofa wysunięte ramię do tyłu.

96

Tadeusz Ruchlewicz

Warto podkreślić, że odepchnięcie w technice łyżwowej trwa względnie

dłużej ze względu na niskie ułożenie tułowia biegaczy i zastosowanie dłuż-

szych kijków. Pozwala to na efektywniejsze działanie sił mięśniowych, ale

jednocześnie stwarza potrzebę wprowadzenia odpowiednich ćwiczeń trenin-

gowych akcentujących zwiększony sektor aktywności mięśni uczestniczących

w ruchach odepchnięcia.

Położenie tułowia w trakcie biegu narciarskiego (pochylenie do przo-

du), sprawia, że ważną rolę w utrzymaniu tej pozycji odgrywa aktywność

mięśni grzbietu a nawet mięśni karku, które utrzymują głowę w położeniu

ułatwiającym obserwację trasy. Na rycinie 23 przedstawiono jedynie warstwę

powierzchowną mięśni grzbietu, ale jest oczywiste, że za utrzymanie tej pozy-

cji i za cykliczne ruchy tułowia odpowiada cały zespół tylnej części tułowia,

a więc także głębokie warstwy mięśni.

W trakcie biegu narciarskiego aktywowane są praktycznie wszystkie

mięśnie biegacza; jedne z nich odpowiedzialne są za realizację ruchów

napędowych, inne za stabilizację tułowia i stawów biodrowych, a jeszcze

inne chociażby za utrzymywanie chwytu kijków. Trudno znaleźć zespoły

mięśniowe, które nie byłyby aktywowane w różnych fazach biegu. Załączo-

ne ryciny i towarzyszący im krótki opis wskazują jedynie na najważniejsze

zespoły mięśni, których praca stwarza siły napędowe podczas biegu nar-

ciarskiego.

Ryc. 21. Mięśnie uda i obręczy biodrowej prostujące staw biodrowy

(Corel, M. Zarębska http://portalwiedzy.onet.pl/)

97

5. Podstawy biomechaniki biegów narciarskich

Ryc. 22. Mięśnie uda prostujące staw kolanowy, widok z przodu

(Corel, M. Zarębska http://portalwiedzy.onet.pl/)

Ryc. 23. Mięśnie tylnej strony podudzia zginające podeszwowo stopę

(Corel,M. Zarębska http://portalwiedzy.onet.pl/)

98

Tadeusz Ruchlewicz

Ryc. 24. Mięśnie kończyny górnej, widok od tyłu

(Corel, M. Zarębska http://portalwiedzy.onet.pl/)

Ryc. 25. Powierzchowne mięśnie grzbietu i mięśnie pośladkowe

(Corel, M. Zarębska http://portalwiedzy.onet.pl/)

99

5. Podstawy biomechaniki biegów narciarskich

5.3. Ruch biegacza pod wpływem układu sił na trasie

o zmiennej konfiguracji

Bieg po trasie płaskiej

Podczas ruchu w terenie płaskim siła ciężkości działa prostopadle do

podłoża i jest zrównoważona przez siłę reakcji. Siła ciężkości nie jest w tym
wypadku siłą oporu dla ruchu postępowego narciarza, wpływa jedynie na
oscylacje pionowe środka ciężkości ciała. Siłą napędową jest siła mięśni
kończyn dolnych (podczas odbicia) i siła mięśni kończyn górnych (podczas
odepchnięcia). Siły mięśniowe skierowane ukośnie do tyłu wywołują naciski
na podłoże (ryc.18). Pośrednią przyczyną ruchu są siły reakcji podłoża skie-
rowane ukośnie do przodu. Zgodnie z kierunkiem przemieszczania narciarza
działa składowa Rx (pozioma) siły reakcji podłoża, jej wielkość – jak opisano
poprzednio – wynosi R

x

= Rcosα.

Wielkość tej składowej, decydującej o prędkości ruchu, jest więc tym

większa, im mniejszy jest kąt odbicia (lub odepchnięcia). Graniczna, mini-
malna wartość tego kąta w wypadku odbicia klasycznego limitowana jest
wielkością siły tarcia (T) pomiędzy nartą a śniegiem. Jeżeli nacisk poziomy
(N

x

) jest większy od siły tarcia (T) – narta ślizga się do tyłu i odbicie nie

może być zrealizowane. Na płaskiej trasie narciarskiej oporami ruchu są: opór
powietrza Fp i tarcie kinetyczne pomiędzy nartami a podłożem, występujące
w fazie poślizgu.

Wielkość wszystkich wymienionych sił, działających równolegle do

kierunku ruchu, zmienia się w czasie. Prędkość pozioma jaką uzyskuje
ciało w wyniku odbicia zależy od przebiegu składowej Rx w czasie i masy
ciała:

gdzie:

∆v

x

– przyrost prędkości poziomej ciała (ms

-1

),

– popęd siły (Ns),

m – masa ciała (kg).

W momencie zakończenia odbicia narciarz uzyskuje maksymalną

wartość prędkości, która w trakcie poślizgu zmniejsza się pod wpływem

sił oporu (tarcia, oporu powietrza). Opór powietrza zmienia się głównie

w zależności od prędkości ruchu.

∫

R

x

(t) dt

0

t

∫

R

x

(t) dt

0

t

m

∆v

x

=

100

Tadeusz Ruchlewicz

Ze względu na minimalne zmiany prędkości biegu po terenie płaskim

wielkość siły tarcia pomiędzy nartami a podłożem jest stosunkowo stabilna.

Może się nieco zwiększać lub zmniejszać pod wpływem zmiany jakości śniegu

na trasie, a także w wyniku ścierania się smarów, którymi pokryta jest narta.

Prędkość ruchu zawodnika po terenie płaskim zmienia się w sposób cykliczny.

Przebieg tych zmian zależy od zmian układu sił będących przyczyną ruchu,

a także od sposobu poruszania się narciarza. Prędkość rośnie podczas odbicia

i odepchnięcia, maleje w czasie poślizgu.

Biorąc pod uwagę przedstawiony układ sił można omówić postulaty

dotyczące kształtowania się czynników wpływających na prędkość ruchu

zawodnika biegnącego stylem klasycznym.

Należy maksymalizować wielkość Rx jako siłę napędową przez:

a) zwiększenie siły tarcia statycznego pomiędzy nartą a podłożem w fazie

odbicia (smarowanie),

b) wywieranie

dużego nacisku na podłoże podczas odbicia (przygotowanie

siłowe zawodnika),

c) kończenie odbicia pod możliwie minimalnym kątem (smarowanie).

Należy minimalizować siły oporu przez:

a) smarowanie nart w celu zmniejszenia tarcia kinetycznego w fazie

poślizgu,

b) przyjmowanie najkorzystniejszego położenia ciała, pozwalającego

na minimalizację siły oporu powietrza (zmniejszenie powierzchni

czołowej i współczynnika oporu Cx).
Należy dążyć do uzyskiwania jak najkorzystniejszego (maksymalnego)

stosunku sił mięśniowych do masy ciała, ponieważ zmiany prędkości pod-

czas odbicia i odepchnięcia są proporcjonalne do rozwijanego popędu siły

i odwrotnie proporcjonalne do masy ciała.

Bieg pod górę

Podczas biegu po trasie wznoszącej się pojawia się dodatkowo wpływ siły

ciężkości na ruch zawodnika. Jak widać na

ryc. 12

składowa siły ciężkości,

równoległa do kierunku ruchu, (Q

1

) jest zwrócona przeciwnie niż przemiesz-

czenie narciarza. Ze względu na wzrost oporów ruchu prędkość znacznie

maleje i powoduje, że biegacz zmienia sposób poruszania się (następuje

zmiana kroków biegowych i ich częstotliwości). Na podbiegu prędkość ruchu

zmniejsza się, co powoduje zmniejszenie oporu powietrza. Zwykle jednak

wpływ siły ciężkości (składowa Q

1

) jest większy niż spadek wielkości siły

oporu powietrza. Na przykład na podbiegu o kącie nachylenia 10°, podczas

ruchu narciarza o masie 70 kg, z prędkością 5 m/s, opór powietrza wyniesie

około 20 N, a wartość składowej Q

1

= 119 N.

101

5. Podstawy biomechaniki biegów narciarskich

Podczas ruchu na trasie wznoszącej się dominują zawodnicy o wysokich

wskaźnikach siły względnej, z reguły zawodnicy o mniejszej masie ciała. Ze

względu na to, że wartość Q

1

zależy nie tylko od masy ciała, ale również od

masy sprzętu (nart, kijków, stroju sportowego), należy pamiętać że również

jakość sprzętu sportowego ma wpływ na ruch narciarza.

Bieg po trasie opadającej

W zależności od wielkości kąta nachylenia trasy biegacz porusza się za

pomocą jednego z wybranych kroków biegowych lub przyjmuje pozycję zjaz-

dową. Na trasie o niewielkim kącie nachylenia stosuje on albo odpowiedni

do danej konfiguracji krok klasyczny, albo w wypadku techniki łyżwowej –

najkorzystniejszy krok łyżwowy. Przy znacznym nachyleniu trasy biegowej

biegacz porusza się w pozycji zjazdowej. Sposób rozwiązania zadania rucho-

wego na trasie opadającej zależy od wielu czynników, między innymi także od

stopnia zmęczenia biegacza, który najczęściej stara się zapewnić odpoczynek

tym grupom mięśni, które wykonywały pracę na podbiegu.

Ruch na trasie opadającej (ryc. 15) jest ułatwiony dzięki działaniu siły

ciężkości, której składowa Q

1

równoległa do kierunku ruchu, ma w tym

wypadku zwrot przemieszczenia

Podczas ruchu zjazdowego, kiedy biegacz nie odbija się ani nie odpycha

kijkami, jedyną siłą napędową jest składowa Q

1

=mgsinα. Opory ruchu za-

leżą od siły tarcia i oporu ośrodka powietrznego. Wielkość siły wypadkowej

układu sił – działającego równolegle do kierunku ruchu – można zapisać

w postaci:

F

w

= m g sinα –

(

mg cosα f +

Sv

2

γc

x

)

2

Przyspieszenie w tym ruchu (a) będzie ilorazem siły wypadkowej F

w

i masy ciała wraz ze sprzętem:

a =

mg sinα

= g sinα

m

Przy pominięciu oporów ruchu np. na początku zjazdu gdy opór po-

wietrza zbliżony jest do zera, a tarcie stosunkowo niewielkie) przyspieszenie

będzie równe:

a =

mg sinα

= g sinα

m

a więc będzie zależało przy stałej wartości g jedynie od wielkości kąta nachy-

lenia stoku. Jeżeli uwzględnimy siły oporu, wielkość przyspieszenia będzie

zależeć od kąta nachylenia stoku oraz sumy sił oporu. W trakcie zjazdu po

102

Tadeusz Ruchlewicz

stoku o stałym kącie nachylenia, z upływem czasu rosną siły oporu, a suma

wszystkich sił działających na narciarza zmierza do zera. Jest to więc ruch,

w którym przyspieszenie maleje z upływem czasu. W ruchach tego typu

prędkość kształtuje się zgodnie z wykresem przedstawionym na rycinie 26.

Jej maksymalna wartość (v

max

) osiągana jest w czasie, w którym suma sił

działających na narciarza jest równa zeru, a więc i przyspieszenie maleje do

zera. W praktyce biegów narciarskich może się to zdarzyć jedynie w wypadku

odpowiednio długich odcinków zjazdowych.

Ryc. 26. Zmiany prędkości ruchu w funkcji czasu pod wpływem układu sił

zmierzającego do zera (podczas zjazdu)

Analiza układu sił działających na narciarza podczas poruszania się po

trasie biegnącej w dół umożliwia sformułowanie następujących postulatów,

warunkujących możliwość zwiększania prędkości ruchu:

1. Należy minimalizować wielkość sił tarcia pomiędzy nartami a podłożem

(smarowanie).

2. Należy minimalizować wielkość siły oporu powietrza przez przyjęcie moż-

liwie niskiej pozycji (zmniejszenie powierzchni czołowej) i takiego układu
ciała, który pozwala na zmniejszenie współczynnika oporu c

x

.

W praktyce sportowej przyjęcie takiego modelowego rozwiązania – ukie-

runkowanego na minimalizację sił oporu – zdarza się jedynie na odcinkach

trasy o znacznym kącie nachylenia. Podczas pokonywania odcinków mniej

stromych sposób zachowania się biegacza zależy głównie od jego aktualnych

możliwości wysiłkowych, a także od zastosowanej taktyki, w której musi on

uwzględniać konfigurację następującego odcinka trasy biegowej.

v

t

v

max