Fysikken til løping

Krefter generert under løping

Tenk på figuren nedenfor som viser profilbildet av en løper på en flat horisontal overflate. Kreftene er indikert.

Denne figuren viser kreftene som virker på en løper når han skyver fra bakken med en av føttene. Kraften Fx er den horisontale kraften på grunn av kontakten mellom løperens fot og bakken, og kraften Fy er den vertikale kraften på grunn av kontakten mellom løperens fot og bakken. Kraften Fg er kraften på grunn av tyngdekraften som trekker ned på løperen. Denne kraften virker gjennom løperens massesenter, representert ved den lilla prikken. Under et løp er kraften Fy større enn Fg for å løfte løperen opp fra bakken mens han løper.

Kraften som driver løperen fremover er fremdriftskraften Fx. Løpehastigheten er direkte relatert til størrelsen på denne kraften. En olympisk sprinter kan skyve fra bakken med en total toppkraft på mer enn 1000 pund (med en gjennomsnittlig tid Fx lik omtrent 200 pund, som er mindre enn topp Fx). I motsetning kan den gjennomsnittlige personen bruke 500-600 pounds av total toppkraft. Referanse: http://www.thepostgame.com/features/201107/usain-bolt-case-study-science-sprinting

I følge Peter Weyand, en vitenskapsprofessor ved Southern Methodist University, under en sprint er den gjennomsnittlige personens fot på bakken i omtrent 0,12 sekunder, mens en olympisk sprinters fot er på bakken i bare 0,08 sekunder.

Stien gikk av løperens massesenter

Mens løperen løper, følger massesenteret hans en parabolsk bue, som vist i figuren nedenfor.

Denne parabolske banen skyldes tyngdekraften som virker på løperen mellom fotstøt med bakken. Disse fotstøtene driver ham gjennom luften i en grunn bue, frem til det tidspunktet han lander med den andre foten, da skyver han fra bakken med den foten, som deretter sender ham igjen gjennom luften med massesenteret. følger en parabolsk bue. Kraften som løperen skyver fra bakken med tjener som en innledende utskytningskraft som får hans massesenter til å følge en parabolsk bue, som forutsagt av Newtons andre lov og likningene for prosjektilbevegelse.

Jo større kraften Fx er, jo større er den horisontale løpehastigheten, og jo lengre buelengden er, derfor vil løperen løpe raskere.

Arm svingende

Armsvinging er en viktig del av løping. Det tjener til å stabilisere kroppen. For å illustrere dette, se figuren nedenfor.

Når løperens venstre fot treffer bakken, skyver han av med en kraft Fx. Denne kraften fører til at et dreiemoment T1 utøves på kroppen hans som har en tendens til å rotere overkroppen i den viste retningen. For å korrigere for denne rotasjonen svinger løperen samtidig armene i den viste retningen som utøver et motmoment T2 på kroppen som har en tendens til å rotere overkroppen i motsatt retning. Genereringen av dette motmomentet hjelper til med å holde kroppen stabil og vendt fremover mens han løper.

På samme måte, når den høyre foten hans treffer bakken, snur situasjonen, og armene hans må svinge i motsatt retning av før for å indusere et korrigerende dreiemoment som igjen bidrar til å holde kroppen vendt fremover.

Å holde armene bøyd mens du løper gjør det lettere å svinge dem. Tenk på en svingende pendel. En kort pendel er lettere å svinge enn en lang pendel, og analogt sett er armene lettere å svinge når de er bøyd. Når vi løper gjør vi alt dette uten å tenke. Det er et helt automatisk sett med bevegelser.