Zijwaarts vooruit

(Deze paragraaf is nog in ontwikkeling.)

Van kracht naar snelheid

De omzetting van kracht naar snelheid is bij schaatsen minder snel uit te leggen dan bij  lopen en fietsen, omdat bij schaatsen een zijwaarts opgebouwde kracht moet worden omgezet in een voorwaartse snelheid.
Toch is het van belang enig idee te hebben over die omzetting omdat  je daarmee bepaalde techniekaanwijzingen in een breder perspectief kunt plaatsen.
We maken weer onderscheid tussen het schaatsen op het rechte eind en het lopen van een bocht.

Rechte eind

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.
Die kracht 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 F (zie figuur 3.)

Figuur 3. Schematische werking van de afzetkracht op het rechte eind.

De zijwaartse component Fduwt het lichaam naar de andere kant van de baan.
De voorwaartse component Fx compenseert de lucht- en wrijvingsweerstand die de schaatser ondervindt van het schaatsen.
(Omdat het afzetbeen strekt tijdens de afzet is het afzetbeen in de paragraaf over de afzet opgevat als een drukveer.)

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.

Aan deze korte verklaring over de omzetting van een zijwaarts opgebouwde kracht in een voorwaartse snelheid zijn twee belangrijke conclusies te verbinden.

Schuin voorwaartse inzet

Zou de schaatser de afzetschaats in de voorwaartse richting hebben geplaatst, dan was er in de ontbinding van de afzetkracht Fgeen ‘ruimte’ voor een voorwaartse component  en zou de schaatser wel naar de andere kant worden geduwd maar niet in staat zijn de ijs- en luchtweerstand te compenseren. Daarom wijkt de baan van de schaats altijd af van de voorwaartse richting.

Zijwaartse afzet

De kracht Fspier op ijs  die een schaatser gedurende een schaatsslag opbouwt wordt maximaal ingezet voor de voorwaartse beweging als de afzetkracht Floodrecht zou staan op de schaats. Immers, een kracht die niet haaks staat op de schaats heeft een kleinere normaalcomponent dan een kracht die haaks staat op de schaats.

In de praktijk is de richting waarin de kracht wordt opgebouwd gedurende de schaatsslag niet constant en afhankelijk van de stand van het bekken en de ligging van het zwaartepunt ten opzichte van het steunpunt. Aan het begin van de afzet, tijdens de kanteling vóór de strekking van het afzetbeen, zal het bekken haaks staan op de afzetschaats en daarna haaks op de voorwaartse richting. De richting waarin de kracht wordt opgebouwd zal dus enigszins schuin voorwaarts zijn.

Als de kracht schuin voorwaarts wordt opgebouwd, dan heeft Fspier op ijs een component evenwijdig aan de schaats die voorwaarts is gericht (zie linker figuur 4.). Deze langs-component roept een reactiekracht op tegengesteld (!) aan de richting van de schaats, die vanwege de geringe weerstand van het ijs (gelukkig) verwaarloosbaar is.

Als de kracht schuin achterwaarts wordt opgebouwd, dan heeft Fspier op ijs een component evenwijdig aan de schaats die achterwaarts gericht is (zie rechter figuur 4.). Deze langs-component roept een reactiekracht op in de voorwaartse richting van de schaats, die eveneens vanwege de geringe weerstand van het ijs verwaarloosbaar is.

Figuur 4. Een schuin voorwaartse- (links) en een schuin achterwaartse afzet (rechts).

De richting schuin voorwaarts kan zoveel mogelijk worden teruggebracht naar haaks op de afzetschaats door de afzetschaats aan het einde van de afzet ‘terug te sturen’ (ook bekend als het ‘indraaien’ van de schaats).

Bij een goede techniek zal de richting van de afzet in geen geval schuin achterwaarts zijn.

Bocht

Als een schaatser een bocht wil lopen, dan heeft hij én kracht nodig om de snelheid van richting te laten veranderen (centripetale kracht) én om de weerstand van het ijs en de lucht te compenseren. De richting van de centripetale kracht is de richting van de straal van de bocht naar het middelpunt toe. De richting van de kracht ten behoeve van het instant houden of eventueel opvoeren van de snelheid is de richting waarin de schaatser vooruit wil, dat is de richting van de raaklijn aan de bocht waar hij zich op dat moment bevindt.

De afzetkracht FN  in de bocht is, net als op het rechte eind, de reactiekracht van de opgebouwde kracht Fspier op ijs en staat loodrecht op de afzetschaats.

Gedurende een afzet in de bocht is de richting van de afzetschaats min of meer constant. Daarentegen wijkt de voorwaartse richting van de schaatser, dat is de richting van de raaklijn aan de bocht waar de schaatser zich op dat moment bevindt, vanaf het begin van de afzet steeds meer naar binnen toe af.
Die afwijking biedt ‘ruimte’ om de reactiekracht Fte ontbinden in een zijwaartse component FY én een component FX in de voorwaartse richting. (Deze situatie is vergelijkbaar met de ruimte op het rechte eind als gevolg van een schuin voorwaarts gerichte inzet.)
Met de voorwaartse component wordt de lucht- en ijsweerstand gecompenseerd.
Een deel van de zijwaartse component doet dienst als centripetale kracht, wat resulteert in de richtingsverandering van de snelheid. Het resterende deel van de zijwaartse component wordt, dankzij de ronding van de schaats, aangewend om de snelheid in voorwaartse richting te behouden c.q. te vergroten.
Door het vergroten van de afzetkracht FN  kom je sneller de bocht uit dan je er in gaat.

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

Naar paragraaf S-curve.

 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.