Zijwaarts vooruit

Als aanvulling op de uitleg over de schaatstechniek bespreken we in dit hoofdstuk de vraag  hoe een afzetkracht, die in zijwaarts richting is opgebouwd, wordt omgezet in voorwaartse  snelheid.

Van kracht naar snelheid

De omzetting van kracht naar snelheid is bij lopen en fietsen eenvoudiger uit te leggen dan bij schaatsen, waar immers een zijwaarts opgebouwde kracht moet worden omgezet in een voorwaartse snelheid.
Voor een goed begrip van de schaatstechniek  is het van belang om enig idee te hebben hoe die omzetting in z’n werk gaat. Het maakt bijvoorbeeld duidelijk waarom er tijdens elke inzet een draaiïng plaats vindt in het heupgewricht met een verplaatsing van de romp als gevolg.
Voor het rechte eind en voor de bocht is de omzetting van kracht in snelheid in principe hetzelfde. Wel is er een verschil in wat we noemen de ‘voorwaartse’ richting.

Gedurende de schaatsslag bouwt een schaatser een kracht op door het uitvoeren van een beweging op de schaats. Hij ervaart die kracht als druk in het afzetbeen tegen de afzetschaats. De schaats geeft deze druk door aan het ijs, dat, zolang de schaatser niet door het ijs zakt en de schaats in het ijs ‘snijdt’, deze druk weer teruggeeft aan de schaats als een reactiekracht volgens het derde principe van Newton, actie = – reactie.  

Figuur 1. Kracht van been op ijs (Fspier op ijs ) en
kracht van ijs op schaats (Fijs op schaats ) 

Op de schaats werkt dus een (reactie-)kracht 1) . Van die kracht zet alleen de component die haaks staat op de schaats, de zogenaamde normaalcomponent van de kracht, de schaatser in beweging. Elke andere component doet dat niet vanwege de te geringe wrijvingsweerstand in die richting.
Als we de omzetting van kracht in snelheid dus willen onderzoeken, dan kunnen we ons dus beperken tot de normaalcomponent FN van de (projectie van de reactie-)kracht Fspier op ijs Deze component noemen we voor het gemak de afzetkracht (zie figuur 2.).
Figuur 2. Schematische voorstelling van de afzetkracht.

De massa van de schaatser is geconcentreerd in het lichaamszwaartepunt dat via het been verbonden is met de schaats. Omdat het been opgevat kan worden als een ‘doorgeefluik’ van de kracht van het ijs op de schaats, werkt dezelfde reactiekracht FN ook op het lichaamszwaartepunt.

Figuur 3. Werking afzetkracht op lichaamszwaartepunt

De drukveer in figuur 3. staat symbool voor de strekbeweging van het afzetbeen.

Rechte eind
Op het rechte eind is de voorwaartse richting de richting van de schaatsbaan. De afzetschaats staat op het rechte eind onder een hoek ten opzichte van de voorwaartse richting (zie de paragraaf Schaatsbeweging.)
De reactiekracht FN  ontbinden we in een component in de voorwaartse richting van de schaatser,de voorwaartse component Fx , en een component haaks op de voorwaartse richting, de zijwaartse component Fy (zie figuur 4.)

Figuur 4. Schematische werking van de afzetkracht op het rechte eind.

De voorwaartse component Fx compenseert de lucht- en wrijvingsweerstand die de schaatser ondervindt van het schaatsen.
De zijwaartse component Fy duwt het lichaam naar de andere kant van de baan. Aan het eind van de afzet vangt de schaatser de duw naar de andere kant van de baan op met de inzet van de andere schaats in een richting, die het spiegelbeeld is van de vorige afzetrichting en herhaalt zich het spel van actie en reactie.

De zijwaartse component Fy is per afzonderlijke afzet de centripetale kracht waardoor het lichaamszwaartepunt een gekromde baan volgt, afwisselend naar links en naar rechts. De mate van kromming hangt af van de verhouding tussen de voorwaartse en zijwaartse (/ centripetale-)  kracht en dus van de hoek  tussen de afzetrichting en de voorwaartse richting. Dit komt tot uiting in breed of smal rijden..

Bocht
In de bocht is de voorwaartse richting de richting waarmee je de bocht ‘aansnijdt’ (in die richting kom je niet binnen de blokjes terecht en wijk je ook niet méér uit dan strikt noodzakelijk is, zie rode pijl in figuur 5.). In die richting wil je de kracht hebben die nodig is om de snelheid te onderhouden of eventueel te vermeerderen.

De kracht die we produceren met schaatsen is de afzetkracht FN  die loodrecht staat op de afzetschaats. We ontbinden de afzetkracht FN  in een component FX  in de voorwaartse richting en een component FY loodrecht op de voorwaartse richting (⍺ is de hoek tussen de richting van de afzetschaats en de voorwaartse richting, zie figuur 5.).

Figuur 5. Schematische werking van de afzetkracht in de bocht.

De voorwaartse component Fx = Fsin ⍺ compenseert de lucht- en ijsweerstand en bepaalt de snelheid.
De zijwaartse component Fy = FN cos ⍺ duwt de schaatser de bocht in. Aan het eind van de afzet vangt de schaatser deze duw op met de inzet van de andere schaats in de volgende voorwaartse richting.

De zijwaartse component Fy , die gericht is naar het middelpunt van de bocht, is de centripetale kracht waarmee de schaatser de bocht wil lopen. Om een bocht te ronden met staal R moeten de voorwaartse kracht Fx  en de centripetale kracht Fy  qua grootte zodanig zijn dat voldaan is aan de formule

Fy = m v2 /  R 

waarbij v de snelheid van de schaatser is als gevolg van de voorwaartse kracht F. 
Deze formule bepaalt onder welke hoek de schaatser moet inzetten ten opzichte van de afzetrichting om de bocht precies langs de blokjes te kunnen ronden. Bij een grotere hoek dan de ideale hoek is de snelheid te groot en de centripetale kracht te klein om de blokjes te volgen zodat de schaatser de bocht te ruim neemt, bij een kleinere hoek is de snelheid te laag en de centripetale kracht te groot zodat de schaatser binnen de blokjes terecht komt.
De hoek tussen de richting van de afzetschaats en de voorwaartse richting hangt samen met de lengte van de afzet en/of de manier waarop je de bocht aansnijdt: hoe langer de afzet, des te groter is de hoek (hoe korter de afzet, des te kleiner is de hoek )
Het laatste scenario (hoek ⍺ kleiner) wordt bereikt als je de bocht scherp aansnijdt en zo snel mogelijk begint met het strekken van het afzetbeen in de heup (bekken wegdraait van afzetheup naar inzetheup). De slag wordt korter en de bochtenfrequentie gaat omhoog. 

Naar paragraaf Werken met vectoren.

 1) Omdat de beweging van de schaats gebonden is aan het vlak van het ijs, is alleen de projectie van elke kracht in het vlak van het ijs van belang.