Vnitřní síly (pohybové)

Vznikají díky pohybovému aparátu člověka – svalovou prací. Jsou determinovány především silou svalů a reakcí tkání na základě jejich pružnosti. Velikost vyvinuté vnitřní síly je pak daná součinností svalového a kosterního aparátu a kvalitou metabolických procesů běžce. Hlavní silou je síla svalová. (Antoš, 2014).

Vnější síly

Působí na běžcův pohybový systém z vnějšího prostředí, a tím pádem je člověk nemůže ovlivnit. Patří mezi ně síla tíhová, síly třecí, aerodynamické a setrvačné síly (setrvačná a odstředivá síla). Vnější síly jsou tak na člověku nezávislé a při jeho pohybu mění pohybový stav lidského těla jako biomechanické soustavy (Antoš, 2014). Některé vnější síly působí proti směru vnitřních sil – gravitace při jízdě do kopce, třecí síly, aerodynamické síly. Jiné zase působí ve stejném směru – gravitace při jízdě z kopce. Právě gravitace, třecí síly a odpor prostředí tvoří základ pro brzdící prvky. Zemská přitažlivost působí na naše tělo neustále směrem do středu země silou.

Při jízdě z kopce působí kladně, při jízdě do kopce naopak působí brzdící sílu S_b. Dalším brzdícím prvkem je odpor vzduchu, který je proměnlivý (vzrůstá se zvětšením velikosti čelní plochy) a má nelineární průběh závislý na druhé mocnině rychlosti. Při nízkých rychlostech je totiž obtékání laminární, kdežto při vyšších dochází k turbulentním jevům. Vzhledem k relativně nízkým rychlostem při běžeckém lyžování je tak odpor zanedbatelný. Posledním důležitým odporem je odpor sněhu T, tedy tření působící vlivem skluzu ploch lyží o sníh a třením špiček. Délka skluzu je pak nepřímo úměrná velikosti tření T. Vlivem tření pak dochází k tání sněhu, což zvyšuje přilnavost a zhoršuje skluz. Koeficient tření ʄ_t se pohybuje v rozmezí 0,03 pro tvrdý a 0,2 pro měkký a mokrý sníh. Tření můžeme snížit nanášením kvalitních vodoodpudivých vosků na skluznici lyže, která narušuje souvislou vrstvu vody v drobné kapičky a tím zlepšuje skluz (Psotová, 2005a).

Fg=m×g

(F_G = tíhová síla, m = hmotnost běžce, g = tíhové zrychlení)

Sb=m×sinα

(S_b = brzdící síla, m = hmotnost běžce, α = sklon odrazu)

T=ʄt×N

(T = výsledné tření, ʄ_t = koeficient tření, N = kolmý tlak na sníh)

Cílem běhu na lyžích je překonání určité vzdálenosti v terénu, což vyžaduje zvládnutí širokého spektra pohybových dovedností, označovaných jako běžecká technika. Základem každého pohybu je síla (Psotová, 2005a). Interakce vnitřních a vnějších sil, které podléhají fyzikálním zákonům, umožňuje pohyb člověka. Pohybové zákony, formulované Isaacem Newtonem v roce 1687, stále platí jako základní rovnice pohybu.

Běžcův pohyb vpřed zahrnuje čtyři mechanismy: odraz z plochy lyže nebo hrany lyže, střídavý pohyb paží s odpichováním holí a soupažný pohyb paží. Tyto pohyby generují vnitřní síly, které interagují s vnějšími silami, což vede k dopřednému pohybu ve skluzu. Hmotná soustava běžce vykazuje cyklické zrychlování a zpomalování. Menší vertikální pohyb těžiště přispívá k efektivnějšímu celkovému pohybu, přičemž vertikální a horizontální pohyb mohou indikovat správnou techniku (Psotová, 2005a).

Odraz z plochy lyže

Odraz z plochy lyže je klíčovým pohybem v klasickém lyžování, prováděným z plně zatížené lyže, která se při odrazu zastavuje. Stoupací komora musí být zatížena, aby stoupací vosk dosáhl sněhové podložky. Účinnost odrazu závisí na úhlu odrazu α, délce dráhy a době účinnosti. Výsledná rychlost je ovlivněna především zrychlením, což koresponduje s 2. Newtonův zákonem síly (Psotová, 2005a).

F×t=m×v

(F – vnitřní vyvinutá síla, t – doba působení síly, m – hmotnost, v – rychlost odrazu)

Rozklad sil při odrazu z plochy lyže. Zdroj: Gnad a Psotová (2005)

Interakci vnitřních a vnějších sil lze demonstrovat na odrazu lyžaře při klasické technice lyžování. Při odrazu vyvine lyžař vnitřní svalovou sílu F, kterou působí na zem. Podle zákona akce a reakce působí zem na lyžaře stejně velkou, ale opačnou silou R. Pokud se lyžař odrazí silou F pod správným úhlem, dojde k dopřednému pohybu F_d, což lze vyjádřit jako vektorový součin síly odrazu F₁ a tíhové síly F_r. Úhel odrazu α je proměnlivý a závisí na zkušenosti lyžaře a vnějších podmínkách, jako je charakteristika sněhu a vyvinutá síla. Menší úhel odrazu zvyšuje hybnou složku síly F a minimalizuje riziko proklouznutí prošlápnuté komory se stoupacím voskem. Snížením úhlu odrazu α se také snižuje kolmý tlak N na lyži. Pokud se překročí mezní hranice tření, dojde k prokluzu lyže. Podle Psotové (2005a) se úhel odrazu α v praxi pohybuje mezi 55° a 65°.

Reakční síly dolních a horních končetin s podložkou vyplývají z působení silové a opěrné soustavy běžce, zejména z rozvoje velkých svalových skupin zapojených do odrazu a odpichu, a také z jeho hmotnosti. Při pohybu na rovině působí na běžce pouze aerodynamické a třecí síly, což znamená, že je potřeba menší síla pro udržení dopředné rychlosti. Při jízdě do kopce musí lyžař překonávat vertikální vzdálenost, což zvyšuje nároky na hnací sílu odrazu a odpichu (Antoš, 2014).

Odraz z vnitřní hrany lyže

Odraz z vnitřní hrany lyže (postavené ke směru jízdy v odvratu) je základním pohybem dolních končetin při způsobu bruslení, odšlapování a bez skluzu i „stromečku“, tedy způsobu výstupu jednostranným či oboustranným odvratem při klasickém způsobu běžeckého lyžování.  Účinnost odrazu je závislá na směru odrazu R, úhlu odvratu, délce dráhy a době, po kterou odraz působí, velikosti tření a rychlosti překlopení lyže z plochy na hranu. Díky technice odrazu je odraz při bruslení účinnější než při odrazu klasické techniky, především díky faktu, že lyže se při odrazu nemusí zastavit a většinou je využíváno soupažného odpichu. Dále při odrazu nehrozí podklouznutí lyže.

Rozklad sil při odrazu z vnitřní hrany lyže. Zdroj: Gnad a Psotová (2005)

Střídavý odpich paží, odpich holemi

Střídavý pohyb paží při odpichu podporuje odraz nohou a zvyšuje odrazovou sílu, což vede k většímu zrychlení a pohybu. Pohyb vychází z horního pletence ramenního a provádí se ve velkém rozsahu, aby se prodloužila doba působení síly. Každá paže funguje jako páka se středem otáčení v ramenním kloubu, přičemž výsledný impulz závisí na síle svalů a délce dráhy působení (Psotová, 2005a). Rozsah pohybu v ramenním kloubu ovlivňuje technika a sklon terénu; maximální rozsah je na rovině při vyšších rychlostech a minimální při prudkém stoupání.

Hnací síly při střídavém odpichu paží holemi. Zdroj: Gnad a Psotová (2005)

Soupažný pohyb paží, odpich holemi

Zatímco střídavý pohyb paží byl výhradně podporou odrazu dolních končetin, soupažný odpich může být i samostatným hybným pohybem. Kromě zapojení svalstva paží a pletence ramenního dochází k zapojení velkých svalových skupin zad a trupu. Každá paže sice působí jako páka, nicméně výhody spočívá ve výsledném působení síly v hlavní ose těla. Zapojením více svalových skupin a propojením pák v jeden systém tak dochází k účinnějšímu odpichu než při střídavém pohybu paží. Výsledný impulz síly je dán silou svalového ústrojí a délkou dráhy (Psotová, 2005a). Stejně jako ve střídavém pohybu paží, i v tomto případě je rozsah pohybu daný sklonem dráhy se stejnou charakteristikou.

Hnací síly při soupažném pohybu paží při odpichu. Zdroj: Gnad a Psotová (2005)