Способ безопасного спуска с высоты с инерционным торможением

Способ безопасного спуска с высоты с инерционным торможением

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Ссылки на патенты:

1. Патент США №4287963 Darrell W. Coxsey, от 8 сентября 1981.

2. Патента России №02195349 Качалова Ф.С.от 27 декабря 2002.

3. Патент США №6880571 Charmaine Raby от 19 апреля 2005.

4. Автономный самоспасатель БАРС, информация компании производителя «Вента-2М» (Россия, Москва) на сайте www.bars.vento.ru

5. Патент США №4645034 Selman D. Griffith от 24 февраля 1987 (прототип).

Область техники.

Изобретение относится главным образом к средствам спасения при пожаре, но также может быть полезным во многих других областях (даже в спорте), точнее относится к способам и средствам автоматического спуска людей или предметов со зданий, деревьев, вертолетов и т.д.

Предшествующий уровень техники.

Сотни лет человек разрабатывал различные способы и устройства, помогающие ему опускать грузы с высоты, например с верхушек деревьев, с гор или из современных зданий. Как правило, такие устройства, используемые человеком для спуска груза, включают шкивы, блокировки, электродвигатели и т.д. Но все способы и аппараты можно разделить на стационарно смонтированные и передвижные (автономные). Главным недостатком стационарных способов является фиксированное место начала спуска и это серьезное ограничение для любых средств спасения при пожаре. Таким образом, главный недостаток стационарных устройств (патент США №4287963 Darrell W. Coxsey, от 8 сентября 1981, патент России №02195349 Качалова Ф.С.от 27 декабря 2002 и др.) очевидны и особенно для средств спасения при пожаре, поскольку никогда неизвестно, где возникнет пожар.

Сегодня существует много автономных (передвижных) устройств для спуска. Но автономные, индивидуальные устройства требуют разрешения многих технических проблем, так как эти аппараты не могут быть тяжелыми, но в то же время должны быть очень надежными и простыми. Если принять во внимание существенный фрикционный разогрев, возникающий при спуске груза, то вы осознаете лишь некоторые из реально существующих трудностей.

Известно множество способов и автономных устройств для спуска, где эти проблемы решены разными способами. Но, как правило, большинство из них по-прежнему использует трение (иногда трение в жидкости) для уравновешивания спускаемого веса (патент США №6880571 Charmaine Raby от 19 апреля 2005 и др.) и иногда они оборудованы дополнительными регуляторами скорости спуска, но их трудно использовать обычному человеку и особенно в критических ситуациях.

Русский аппарат для спуска «Барс» (патент неизвестен) имеет ряд привлекательных для пользователей параметров. Постоянная скорость спуска с высоты 150 м составляет всего 1 м в секунду для веса вплоть до 120 кг и готово к применению через одну минуту для любого не тренированного человека. Единственный, но существенный недостаток устройства - это некоторое предварительно установленное на стене оборудование. Таким образом, это не 100% автономный аппарат, но с очень привлекательной для потребителей ценой примерно 400 долларов. Компания - производитель «Вента-2М» не раскрывает детали конструкции, но и здесь для спуска используются силы трения.

Как наиболее простой аппарат, этот аппарат состоит из каната и тормоза (иногда присоединен к стене в точке начала спуска недалеко от окна), где также расположены крюк для присоединения устройства и место для человека. Человек шагает в окно и спускается с постоянной скоростью благодаря силам трения внутри аппарата.

В прототипе, Американский патент №4645034, кл. А62В 1/10 (по Американской классификации 182/231) от 24.02.1987 приведена система спуска с регулируемыми силами трения. Это позволяет надежно и контролируемо спускать людей, но требует от пользователя определенных предварительных навыков. Конечно, это главный недостаток, особенно если аппарат используют как средство спасения. Но более принципиальным ограничением для любого аппарата с регулируемой скоростью спуска является тот факт, что возможно многократное увеличение нагрузки на канат, если мгновенно изменить скорость снижения (в соответствии со 2-м законом Ньютона в механике).

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Соответственно цель этого изобретения состоит в разработке способа спуска с постоянной скоростью для автономного аппарата. Способ должен обеспечить компактность, надежность и простоту спуска.

Основным недостатком любых способов и аппаратов, основанных на трении, является простой факт, что Вы не знаете точно спускаемый вес и вынуждены компенсировать его некоторыми регулировками. Поэтому, было бы очень удобно, если бы не требовалось никаких регулировок или если эти регулировки выполняются автоматически, что и было достигнуто в предлагаемом способе при использовании инерционных сил вместо сил трения. Конечно, невозможно полностью исключить силы трения в любых физических процессах, но иногда можно существенно уменьшить их вклад.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ

Хорошо известно, что ускорение или колебания любой массы (или масс) требует приложения силы. Сегодня известны многие кинематические схемы для преобразования линейного движения в колебательное. Фиг.1 иллюстрирует общую зависимость между массой (M) и амплитудой колебаний (А), когда эта масса колеблется (ω). Согласно формуле основным преимуществом такого способа и аппарата на таком принципе будут небольшие изменения скорости при существенном изменении спускаемого веса. В отличие от трения здесь не существует порога и аппарат, рассчитанный на 100 кг веса, может спускать 150 кг, потому что скорость спуска изменяется как корень из 1.5 (менее чем на 25%). Необходимо подчеркнуть, что здесь и далее речь идет о средних силах (Фиг.1), но существующие колебания силы передаются канату и демпфируются.

Другой проблемой любого аппарата для спуска является сильный перегрев, обусловленный изменением потенциальной энергии. Например, если вес 100 кг падает с высоты 100 м, то энергия нагрева равна 100 кДж и Вам требуется некая система, чтобы уберечь канат и сам аппарат от сопутствующего спуску чрезмерного нагрева.

Можно уменьшить нагрев, используя специальные сплавы или органику с низкой температурой плавления в диапазоне 50-300°C, поскольку нагрев и плавление сплавов требуют значительной энергии. Свинец внутри инертной массы с температурой плавления 327°С очень удобен как такой материал, к тому же он еще и тяжел, что уменьшает габариты устройства. Также нагрев каната значительно снизится, если его смочить. Но лучше всего, если канат помещен в резервуар с водой или другой жидкостью внутри аппарата (например, спирт, если аппарат предполагается использовать зимой).

Иногда необходимо быть уверенным, что аппарат для спуска не использовался ранее и находится в исправном состоянии. Например, это необходимо при спасении при пожаре и т.д. Конструктивно это легко достигается, если невозможно вернуть канат внутрь аппарата без переборки и это может оказаться полезным для некоторых применений таких устройств.

Но с другой стороны, иногда Вам необходимо использовать тот же канат много раз для многих людей. Этого можно добиться, отделив канат от аппарата (внешний канат), но тогда Вам потребуется «замок», чтобы присоединять аппарат к канату. Конечно, тогда это не 100% автономный аппарат, но это полезно в некоторых применениях (спасение при пожаре в отелях и т.д.). Кроме того, в этом случае можно визуально контролировать касание канатом земли.

Для некоторых людей (спортсмены и т.п.) было бы полезно использовать канат многократно. Тогда необходимо после спуска отсоединить канат, находясь уже на земле. Это возможно. В этом нет противоречия и можно располагать такой возможностью при надежном креплении во время спуска, если Вы используете петлевое, скользящее соединение (или что-то наподобие петли, см. Фиг.2).

Во многих ситуациях полезно использовать шум или другие сигналы при спуске, чтобы привлечь внимание, и это легко осуществить кинематически при снижении. А для некоторых профессионалов (армия и т.д.) с предварительной, специальной подготовкой персонала такие аппараты можно дополнительно оснастить тормозами, чтобы расширить область их применения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для предпочтительных реализаций изобретение пояснено при помощи следующих чертежей:

Фиг.1 - схематичное представление колебаний массы m, обусловленное движением

каната.

Фиг.2 - схема петлевого и скользящего петлевого крепления аппарата.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Итак, если скорость каната внутри аппарата вызывает колебания массы (масс) и Вы правильно выполнили вычисления, то предложенный способ и аппарат возможно использовать для спуска людей или других объектов. Но необходимо закрепить канат перед спуском чего-то и это соединение должно быть надежным, как и сам канат.

Способ и аппарат для спуска в минимальной реализации, схематично представленный на Фиг.1, состоит из корпуса с колеблющейся внутри массой и каната. Поскольку колебания массы m с амплитудой А и частотой ω требуют силы F, как записано на Фиг.1, то возможно кинематически преобразовать любое вращение, соответствующее скорости V, в колебания с частотой ω. И пока канат движется, средняя сила F будет равна спускаемому весу, но все еще остается проблема перегрева аппарата.

Если некоторые детали аппарата и/или инертной массы изготовлены из специальных материалов, поглощающих тепло, то нагрев и плавление этих материалов при низких температурах в диапазоне 50-330°С значительно уменьшит нагрев и аппарата и каната в целом. Можно уменьшить перегрев каната, если перед спуском канат предварительно помещен в воду или спирт (или другую жидкость). также объем для жидкости может быть составной частью аппарата.

Очень легко исключить повторное использование одного и того же аппарата, если сделать конструктивно невозможным повторное использование аппарата без переборки и сертификации.

Иногда полезно дополнительно оснастить аппарат сиреной для привлечения внимания при спуске, поскольку движение каната может кинематически инициировать шумовые сигналы.

В некоторых применениях (например, для профессионалов или спортсменов) аппарат можно дополнительно оснастить тормозной системой.

Важнейшей частью любого аппарата для спуска является его система крепления. Предварительно оборудованные места для присоединения существенно ограничивают возможности любого аппарата спуска. В этом изобретении предлагается главным образом использовать петли (Фиг.2). Скользящая петля, обозначенная как С (Фиг.2), позволяет отсоединить канат после спуска, находясь на земле. Это очень полезно для спортсменов и т.д. И это позволяет использовать один и тот же канат для одного или многих аппаратов. Канат можно предварительно сбросить перед спуском, что обеспечивает дополнительный визуальный контроль высоты, а затем произвести спуск многих людей по одному и тому же канату.

ПРИНЦИП РАСЧЕТА

Способ для спуска в главной реализации работает следующим образом. Давайте рассчитаем основные параметры, необходимые для спуска человека весом 100 кГ (масса=М) с максимальной скоростью v=2 м/с (что эквивалентно прыжку с высоты 20 см). Предположим, что канат движется вокруг радиуса r=0,5 см внутри аппарата с той же скоростью v и это движение вызывает колебания массы m=0,5 кг внутри аппарата с амплитудой А=2 см (Фиг.1). Это означает, что ω равна 400 с-1. То есть максимум тормозящей силы равен примерно 150 кг, а скорость спуска менее 2 м/с, но для результирующих средних сил мы должны разделить эту амплитуду силы на 1,4. Это прекрасный результат для любых аппаратов для спуска.

Можно использовать кевларовый канат всего 3 мм в диаметре, поскольку он рвется при 300 кг. Также кевлар выдерживает высокие температуры (более 500°С). Таким образом, предложенный способ позволяет создать на этом принципе очень компактный аппарат для спуска.

Можно модифицировать аппарат в соответствии с пунктами формулы изобретения, поскольку при указанных в расчете параметрах у нас будет 2 кВт мощности при спуске, и легко догадаться, как использовать эту мощность для осуществления любого пункта формулы изобретения. Мы можем использовать мощность для сирены и т.п. Таким образом, выполненные вычисления показывают, как изменяются основные параметры в соответствии с задачами пунктов формулы изобретения.

Вполне понятно, что если использовать свинец (температура плавления и испарения соответственно 327 и 1745°С) внутри массы m=0,5 кг, то можно дополнительно поглотить энергию, соответствующую лишним 20 м и почти 100 м высоты при достижении температуры плавления и кипения соответственно. Также можно использовать воду или спирт и другие жидкости для уменьшения нагрева каната.

И наконец, некоторые пояснения по петлевому, скользящему соединению. Поскольку возможно использование одних и тех же аппаратов многократно (например, в спорте), то после спуска полезно возвращать канат на землю. Если один конец каната снабжен массой, как показано на Фиг.2, то не составит труда вернуть канат, находясь на земле, за счет спуска этой массы под действием сил тяжести.

Принципы для других модификаций аналогичны ранее приведенным в тексте.

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Таким образом, способ и компактный аппарат для надежного автоматического спуска людей с высоты, со зданий, с вертолетов, с деревьев и т.д. имеет коммерческую перспективу. Также это изобретение полезно как средство спасения при пожаре и позволяет любому опускаться медленно и надежно с высоких зданий (позволяет родителям спускать их детей, или домашних животных, или имущество).

1. Способ спуска, при котором используют размещенные в аппарате канат и инерционную массу, а постоянную скорость спуска обеспечивают за счет уравновешивающей спускаемый вес силы, вызванной колебанием инерционной массы, обусловленным движением каната.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для уменьшения нагрева аппарата и каната используют материалы, поглощающие тепло при их нагреве или плавлении при температуре в диапазоне 50-330°С.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что для уменьшения нагрева каната при спуске его предварительно смачивают или помещают внутрь резервуара с водой или другой жидкостью.

4. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что для привлечения внимания при спуске используют шумовые и предупреждающие сигналы, активируемые движением каната.

5. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что для применения профессионалами и/или спортсменами в аппарате дополнительно используют тормозную систему.

6. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что канат крепят петлевым или подобным соединением, например, с утяжеляющей массой, что позволяет после спуска, уже находясь на земле, отсоединить канат или повторно его использовать.

7. Способ по одному из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что первоначально канат находится вне аппарата, а затем аппарат присоединяют к канату и используют один канат для нескольких аппаратов, при этом перед спуском свободный конец закрепленного каната предварительно сбрасывают на землю, что позволяет дополнительно визуально контролировать высоту.