ЛЫЖА
SKI

Изобретение относится к спортивному инвентарю и может быть использовано в конструкциях лыж.
Целью изобретения является облегчение движения лыжника вперед за счет использования веса лыжника с переводом его силы тяжести и части мышечных усилий в фазе отталкивания опорной ногой на снижение сопротивления трения лыжи о снег под опорной площадкой лыжи при одновременном увеличении сопротивления обратному скольжению. При этом используется механизм создания воздушной подушки между снегом и опорной частью лыжи.
Известны технические решения по использованию усилий ноги лыжника на усиление фазы его отталкивания путем размещения пружинящих элементов между подошвой лыжного ботинка и опорной площадкой лыж. В частности, известна лыжа, содержащая основание лыжи, крепление для обуви и опорную упругую для подпяточной части обуви платформу-подпяточник с наклоненной под острым углом к основанию лыжи верхней контактной поверхностью, причем платформа-подпяточник выполнена в виде стойки из материала характеристик резины или полиуретана, а ее верхний и нижний пояса армированы жесткими элементами, при этом ее промежуточная поясная часть по своему исполнению и размещению выполнена так, что статический момент сопротивления преимущественно каждого из ее сечений плоскостью, параллельной основанию лыжи, смещен относительно середины контактной части наклонной поверхности верхнего пояса в сторону задней части основания лыжи [а.с. SU №2048828 БИ №33 от 27.11.1995]. В момент толчка ногой наклонная поверхность платформы-подпяточника контактирует с обувью преимущественно по всей своей поверхности при минимальном трении.
Технические решения по аккумулированию энергии толчка ногой пружиной или эластичным материалом направлены на облегчение усилий лыжника по выносу ноги вперед, при этом составляющая сил направлена от пятки вдоль голени спортсмена, зависит от мощности пружины, но никак не влияет на силы сцепления лыжи со снегом.
Известны технические решения по предотвращению обратного скольжения лыж в фазу активного отталкивания в виде тормозных пластин, выступов или ступенчатых групп на скользящей поверхности лыж или только опорной площадки. В частности, известны лыжи, поверхность которых выполнена из пластмассы и имеет несколько ступенчатых групп, одна из которых, расположенная под опорной площадкой, шире и глубже, чем ширина и глубина ступеней крайних групп [а.с. SU №508164 МКИ А63С 7/06 БИ №11 от 21.03.1976]. Известны лыжи, содержащие установленные в выполненных на скользящей поверхности пазах противоскользящие пластины, причем передний конец пластины смонтирован шарнирно, и с каждой пластиной соединен упругий элемент [а.с. SU №1423130. БИ №34 от 15.09.1988].
Недостаток всех технических решений, включающих скользящую поверхность лыж, на которых расположены выступы, состоит в том, что продольная составляющая сил трения и сопротивления движению многократно возрастает, поскольку каждый выступ лыжи сталкивается с препятствием и создает сопротивление движению. Все это заставило отказаться от применения лыж с «чешуйчатой» скользящей поверхностью надежно предотвращающей от проскальзывания лыж в момент отталкивания, но существенно увеличивающих сопротивление движению вперед.
Известно устройство для предотвращения обратного скольжения лыж, содержащее установленную на лыже нижнюю площадку со сквозными каналами и возможностью продольного перемещения относительно нее верхней площадки с креплением и тормозной элемент с упругими пластинами, один из свободных концов которых соединен с основанием верхней площадки, а другие - с тормозным элементом, при этом сквозной канал в лыже выполнен дугообразным, выпуклость которого обращена к концевой части лыжи, причем тормозной элемент выполнен в виде зубчатой пластины, зубья которой наклонены к концевой части лыж [a.c. SU №1549548. БИ №10 от 15.03.1990]. При движении по лыжне лыжник делает движения ногами назад - вниз при отталкивании от лыжни и вперед вдоль лыжни. При движении ноги вперед верхняя площадка устройства сдвигается вперед до упора и далее двигает вперед и нижнюю площадку, и лыжу. При этом тормозной элемент сдвигается вперед-вверх вдоль канала и не мешает движению вдоль лыжни. В момент отталкивания верхняя площадка проскальзывает назад относительно нижней площадки и лыжи на расстояние 5-15 мм. При этом тормозной элемент врезается в лыжню, что позволяет лыжнику мощно оттолкнуться от лыжни, не боясь проскальзывания лыжи назад. Сложный механизм взаимодействия составляющих верхней и нижней площадок может быть нарушен многократными физическими перегрузками при поворотах, ударах и прыжках, - неизбежных спутниках лыжных гонок. При этом при коньковом ходе изменяется векторная направленность силовых усилий на опорную площадку лыж, что неизбежно отразится на внутренней составляющей механизма устройства, нарушая взаимосвязанные перемещения площадок.
Для повышения надежности предложены лыжи для конькового хода, у которых внутреннее ребро, служащее толчковой опорой при отталкивании от снега, выполнено из титана, а внутренняя часть скользящей поверхности, расположенная за выступом, выполнена наклонной к горизонтальной поверхности [а.с. SU №1711933 БИ №6 от 15.02.1992]. Считается, что за счет упора выступом о лыжню, особенно по ледовой трассе или по плотному снегу, за счет высокого коэффициента трения при упоре толчок начинается под малым углом при значительно меньшем расходе энергии, что сохраняет равновесие и устраняет непроизводительные потери энергии.
Таким образом, основным направлением технического развития в конструкциях лыж являются предложения по уменьшению сопротивления скольжению сил трения лыжи о снег при увеличении сопротивления обратному скольжению.
Известно техническое решение, показывающее, что можно управлять перемещениями небольшого объема воздуха под воздействием веса тела человека, используя фазы сжатия и распрямления пружины [«Домашние туфли-пылесос И.И.Пятницкого» // «Изобретатель и рационализатор», 1988, №7, C.1] Каждая туфля имеет между стелькой и подошвой меховую прокладку и пружину. Когда нога с туфлей не опирается на пол, между подошвой и стелькой образуется разряжение, и через отверстия подошвы в пространство устремляется воздух с пылью. В момент опоры на туфли пружины сжимаются, а набранный воздух и пыль перемещаются к каблуку - фильтру.
Для использования в спортивном инвентаре и с аналогичными целями данный способ перемещения воздуха не применялся.
Наиболее близким техническим решением является лыжа, содержащая основание, крепление для обуви и наклоненную под острым углом к основанию подпружиненную площадку под внешнюю подпяточную часть лыжной обуви [а.с. SU №1405863, БИ №24 от 30.06.88]. Во время движения на лыжах лыжник попеременно переносит вес тела с одной ноги на другую, при этом пружина, сжимаясь, запасает энергию, а, распрямляясь, отдает ее лыжнику, тем самым облегчая его движение. Причем для предотвращения попадания снега между основанием и опорной площадкой лыжи пружинный механизм может быть помещен в чехол из эластичного материала, закрепленного на основании.
Целью изобретения является повышение эффективности использования усилий лыжника в фазу отталкивания путем использования веса лыжника с переводом силы тяжести и части его мышечных усилий в фазе отталкивания опорной ногой на снижение сопротивления трения лыжи о снег под опорной площадкой лыжи при одновременном увеличении сопротивления обратному скольжению и при сохранении величины трения внутреннего опорного края лыжи, усиливающих силу толчка при коньковом стиле бега. При этом используется механизм создания воздушной подушки между снегом и опорной частью лыжи.
Поставленная задача решается тем, что в лыже 1, содержащей основание 2 лыжи, крепление 3 для обуви 4 и опорную упругую для подошвенной части 5 обуви платформу-подпяточник 6 с наклоненной под острым углом к основанию 2 лыжи 1 верхней контактной поверхностью 7, согласно изобретению платформа-подпяточник 6 выполнена в виде подпружиненной 8 емкости 9 из эластичного материала, соединенной сквозными каналами 10 со скользящей поверхностью основания 2 лыжи 1, причем выходные отверстия каналов 10 расположены в центральной борозде скользящей поверхности лыж, при этом направленность струй выдавливаемого ногой воздуха препятствует обратному скольжению в фазу отталкивания. При этом подпружиненная емкость 9 в своей задней части снабжена клапаном 11, срабатывающим на закрывание при повышении давления в полости емкости 9 и открывающимся для поступления воздуха вовнутрь при прекращении надавливания подошвы 5 лыжного ботинка 4 на верхнюю контактную поверхность 7 устройства.
Детали заявляемого технического решения представлены на чертеже. Для разъяснения принципа действия заявляемого устройства необходимо проанализировать биомеханику движений лыжника в фазу отталкивания [Б.Е.Ламаш Лекции по биомеханике. Лекция №7. Локомоторные движения. Биомеханика передвижения со скольжением (лыжи) http://www.dvgu.ru/meteo/book/BioMechan.html. Ввод с экрана]. «Лыжник увеличивает скорость передвижения благодаря отталкиванию лыжами и палками от снега в сочетании с маховыми движениями рук и ног (к отталкиваниям ногой и рукой присоединены махи рукой и ногой) и броском тела вперед (поворот таза вперед и рывок туловища вверх). В попеременном двухшажном ходе чуть позднее отталкивания палкой завершается отталкивание лыжей, начинается скольжение на другой лыже. Свободное скольжение (фаза I) происходит при тормозящем воздействии трения лыжи по снегу и незначительном сопротивлении воздуха. Чтобы меньше терять скорость, нельзя делать движения с ускорениями звеньев, направленными вверх; это вызовет силы инерции, направленные вниз, которые прижмут лыжу к снегу и увеличат трение. Замедление же движений вверх рук и переносной ноги (после предыдущего отталкивания лыжей «на взлет»), наоборот, снизит давление на лыжу и уменьшит трение. Свободное скольжение заканчивается постановкой палки на снег: после замедленного завершения махового выноса руки вперед лыжник, слегка согнув ее и зафиксировав суставы руки и туловища, энергии ударом ставит палку на снег. Начинается фаза скольжения с выпрямлением опорной ноги (фаза 2). Усиливая наклон туловища над лыжей на палку, лыжник стремится повысить скорость скользящей лыжи».
Таким образом, интерес представляют технические решения по снижению трения лыжи о снег в фазе начала скольжения, как способствующие увеличению поступательной скорости лыжника. Но снижение трения опорной площадки и лыжни может привести к проскальзыванию лыжи назад.
Известно, что наибольшего распространения по борьбе с обратным скольжением лыж (отдачей) получили технические решения в виде способов нанесения мазей в различных комбинациях, называемых «смазкой держания» в отличие от «мазей скольжения», имеющих более высокий коэффициент сил сцепления с поверхностью лыжни [Коркаран М. «Подготовка беговых лыж к соревнованиям». Перевод с фран. М.: СпортАкадемПресс. 2002, С.48-60]. При толчке ногой под колодкой (грузовая площадка лыж) создается дополнительное давление на снег, и кристаллы снега входят в слой «держащей мази», лыжа «прилипает» к снегу, что позволяет лыжнику толкнуться. После толчка кристаллы снега должны выйти из мази, что позволит лыже скользить [Вертышев А. часть 111. «Смазка лыж». Курс молодого бойца, http://sportall.ru/info/skiwaxing.html. Ввод с экрана]. При этом зона нанесения держащей мази на опорной колодке начинается от подпяточника и тянется вперед на 40-50 см (у лыжников экстра-класса - на 10-15 см короче). Конец зоны соответствует началу средней трети скользящей поверхности лыжи. Причем зона расположения опорной (грузовой) площадки для каждого спортсмена определяется индивидуально. Для лучшего применения усилий толчка (отталкивания) лыжника применяют определение точки упругости лыжи и наиболее рациональное распределение веса лыжника, выстраивая на специальной установке график распределения веса лыжника по данным динамометрии (силы трения опорной площадки о подлежащую поверхность). Все это позволяет определить наиболее выгодное для данного спортсмена положение креплений на лыжах [www.etapa.ru/run.23php. Ввод с экрана]. Силы трения лыж о снег играют большую роль при движении лыжника, так как они определят условия скольжения. Сила трения скольжения направлена против движения лыжника и приложена к лыжне, образуя момент силы относительно центра тяжести лыжника. Она тормозит движение лыжника. Значит, коэффициент трения скольжения надо уменьшать любыми способами (например, мазями). Сила трения сцепления обеспечивает возможность отталкивания лыжей и зависит от угла трения - направления активного отталкивания. Отталкивание под острым углом приводит к проскальзыванию лыжи. Ускорение движения тела лыжника направлено под углом активного отталкивания. Любое уменьшение давления лыжей на снег уменьшает силу трения и увеличивает скорость. Так при весе лыжника в 70 кг снижение вертикального давления на 5 кг уменьшает силу трения лыж о снег на 0,3 кг, что увеличивает скорость примерно на 0,01 м/с, что эквивалентно выигрышу 0,5 секунды на каждом километре дистанции. При сохранении средней скорости такое же снижение давления увеличивало бы длину свободного скольжения на 9 см, что значительно увеличит длину шага и сократит энергозатраты на передвижения [«Теория скольжения», 2008. с.2. www.etapa.ru/mn. 14.php. Ввод с экрана]. Снижение давления на лыжню достигается различными модификациями техники бега, в частности, направлением отталкивания, градиентом и импульсом силы, длиной свободного скольжения и фазой поддержания ускорения ударом лыжной палки (создание жесткой системы рука-туловище, ослабляющая давление на лыжу). Горизонтальная составляющая этих усилий может достигнуть величины трения лыж о снег [«Эффективность отталкивания». www.etapa.ru/run. 14.php. Ввод с экрана].
В заявляемом техническом решении усиление силы трения лыжи о снег в момент отталкивания, препятствующее обратному скольжению, достигается тем, что подошва 5 лыжного ботинка 4, при надавливании на верхнюю площадку 7 подпружиненной 8 эластичной емкости 9 под действием веса лыжника и мышечных усилий отталкивания, сжимает пружину 8 и емкость 9, выдавливая содержащийся в ней воздух. Тонкие упругие струи сжатого воздуха, выходящие из емкости 9 через сквозные отверстия 10 в опорной площадке 2 лыжи 1 в последние мгновения фазы отталкивания не только усиливают силу толчка ногой, но и создают добавочный момент - сцепление с лыжней, препятствующее обратному скольжению (отдаче). При этом в момент начала скольжения вперед под опорной площадкой лыж оказывается воздушная подушка, существенно снижающая коэффициент трения, препятствующий скольжению вперед. Этим достигается удлинение пути скольжения при каждом отталкивании лыжника, что повышает эффективность использования его усилий при каждом толчке ногой. В фазе, следующей за скольжением, когда пятка ботинка перестает давить на верхнюю площадку 4 подпружиненной емкости 6, внутренняя пружина 5 распрямляется, засасывая воздух в полость емкости 6, через клапан 8 подготавливая ее к следующему циклу. Силой давления на лыжню воздушных струй можно управлять, изменяя (вставками) соотношение размеров площадей поперечного сечения сквозных отверстий 7 и их общей площадью и площадью давящей площадки 4: разница аэродинамических давлений в емкости и на выходе одиночного отверстия может различаться в сотни раз (эффект поршня шприца и сечения иглы).
Основным результатом заявляемого технического решения является увеличение скорости скольжения лыжи при неизменных антропологических и физиологических возможностях спортсмена.