Способ определения кинематических параметров движения гребной механической системы лодка-гребец-вёсла и сил на её элементах

Способ определения кинематических параметров движения гребной механической системы лодка-гребец-вёсла и сил на её элементах

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области измерений, а именно к области измерений в спорте, и может быть использовано в тренировочном процессе в спортивной (академической) гребле для повышения его эффективности. Основным техническим результатом предложения является расширение спектра и повышение точности измерения сил, определяемых на элементах гребной механической системы.

Дополнительным техническим результатом предложения является уменьшение времени предстартовой подготовки системы в тренировочном процессе.

Известен способ определения кинематических параметров движения гребной механической системы и сил на ее элементах (первый аналог), в котором непосредственно измеряют ускорение и скорость лодки вдоль ее продольной оси (См. Патент 20050170711 А1 США. Method and apparatus of information systems for rowers [Текст] / заявитель Robert M. Spencer, Timothy C. Mickelson).

Однако известный способ (первый аналог) обеспечивает определение только узкого спектра кинематических параметров движения гребной механической системы и не обеспечивает определение сил на ее элементах.

Известен способ определения кинематических параметров движения гребной механической системы и сил на ее элементах (второй аналог), в котором измеряют ускорение и скорость лодки вдоль ее продольной оси, угол поворота весла в вертлюге вокруг вертикальной оси и непосредственно измеряют с помощью тензометрического датчика силу в вертлюге (См.. Sport. RowX Outdoor, www.webasport.com/weba/rowx_outdoor.html. [Электронный ресурс]).

Однако известный способ (второй аналог) обеспечивает определение только узкого спектра кинематических параметров движения гребной механической системы и спектра сил на ее элементах. При этом силы на рукоятке и лопасти весла определяют только приближенно путем пересчета в них силы, измеряемой на вертлюге, на основе модельных алгебраических соотношений, описывающих статическое распределение сил на весле. Силу на подножке в известном способе не определяют. Узость определяемого спектра кинематических параметров движения и сил на элементах системы, а также существенные погрешности в определении сил предопределяют невысокую эффективность использования этой информации в тренировочном процессе в спортивной гребле.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения кинематических параметров движения гребной механической системы и сил на ее элементах (прототип), в соответствии с которым непосредственно измеряют ускорение и скорость лодки вдоль ее продольной оси, перемещение гребца относительно лодки вдоль ее продольной оси, угол поворота весла в вертлюге вокруг вертикальной оси, определяют силы на подножке и на весле (См.. BioRow Ltd. BioRowTel telemetry system. http://www.biorow.comPS_files/BioRowTel.pdf. [Электронный ресурс]).

Однако известный способ (прототип) не обеспечивает определение с высокой точностью сил на ручке весла, на его лопасти и на вертлюге вследствие того, что на весле определяется только единственная сила, причем в области, расположенной между рукояткой весла и вертлюгом. Затем она приближенно пересчитывается в силы на рукоятке весла, на его лопасти и на вертлюге. Кроме того, использование тензометров для определения сил на весле и на подножке предопределяет необходимость выделения значительного времени для предварительной калибровки тензометров перед началом тренировки в период предстартовой подготовки системы. Отсутствие высокоточной информации обо всем спектре сил на элементах системы и значительные временные затраты на предварительную калибровку тензометров существенно снижают эффективность тренировочного процесса в спортивной гребле.

Основным техническим результатом предложения является расширение спектра и повышение точности измерения сил, определяемых на элементах гребной механической системы.

Дополнительным техническим результатом предложения является уменьшение времени предстартовой подготовки системы в тренировочном процессе. Эти ожидаемые технические результаты предопределяют повышение эффективности тренировочного процесса в спортивной гребле.

Указанные технические результаты достигаются тем, что в способе определения кинематических параметров движения гребной механической системы лодка-гребец-весла и сил на ее элементах, в соответствии с которым непосредственно измеряют ускорение а_л и скорость v_л лодки вдоль ее продольной оси, измеряют угловую скорость ω_в и угол α_в поворота весла в вертлюге вокруг вертикальной оси, измеряют перемещение гребца s_гл относительно лодки вдоль ее продольной оси, вычисляют ускорение гребца а_гл относительно лодки вдоль ее продольной оси путем дифференцирования перемещения s_гл, для определения сил на элементах системы вычисляют угловое ускорение ε_в поворота весла путем дифференцирования угловой скорости ω_в, вычисляют гидродинамическую силу сопротивления движению лодки F_гд по соотношению F_гд=-cv_л², где с - коэффициент гидродинамического сопротивления, вычисляют силы инерции, возникающие при поступательных движениях лодки F_ил и гребца F_иг, поступательном и вращательном движениях весла F_ив, соответственно, по соотношениям: F_ил=m_л а_л; F_иг=m_г(а_л+а_г), F_ив=2((m_в+λ_в)(а_л cosα_в+ε_в l_цмв)-λ_вv_лω_в sinα_в), где m_л, m_г, m_в - соответственно массы лодки, гребца и весла; λ_в - присоединенная масса весла вдоль оси, перпендикулярной лопасти весла; l_цмв расстояние от вертлюга до центра масс весла, вычисляют момент сил инерции весла М_ив, возникающий при его вращательном движении и поступательном движении лодки, по соотношению М_ив=2((j_в+k_в)ε_в+λ_в(v_л cosα_в+ω_в l_цмв)v_л sinα_в), где j_в, k_в - соответственно момент и присоединенный момент инерции весла вокруг вертикальной оси, проходящей через центр масс весла, определяют силы на подножке F_п, на рукоятке весла F_р, на вертлюге F_вер, на лопасти весла F_лоп, соответственно, по соотношениям:

F_п=-((F_ил+F_гд+F_иг+F_ив cosα_в)l_лоп+F_иг l_р+(F_ив l_цмв-М_ив)cosα_в)/l_р;

F_р=((F_ил+F_гд+F_иг)(l_лоп+l_р)-(F_ив l_цмв+М_ив)cosα_в)/(l_р cosα_в);

F_в=((F_ил+F_гд+F_иг)(l_лоп+l_р)+F_ив cosα_в l_лоп-(F_ив l_цмв+М_ив)cosα_в)/(l_p cosα_в);

F_лоп=((F_ил+F_гд+F_иг+F_ив cosα_в))/cosα_в,

где l_p, l_лоп - расстояния от вертлюга до центров рукоятки и лопасти весла

На чертеже представлена схема приложения сил на элементах гребной механической системы. Здесь обозначены: O_лx_лy_лz_л - система координат с началом в центре масс лодки О_л, жестко связанная с лодкой (O_лх_л - направлена по продольной оси лодки, О_лу_л - по вертикальной оси, О_лz_л - по правому борту); O_вx_вy_вz_в - система координат с началом в центре масс весла О_в, жестко связанная с веслом (О_вх_в - горизонтальна и перпендикулярна оси весла, О_ву_в - вертикальна и перпендикулярна оси весла, O_вz_в - направлена по оси весла); v_л, а_л - соответственно скорость и ускорение лодки вдоль ее продольной оси О_лх_л; s_гл, а_гл - соответственно перемещение гребца, отсчитываемое от подножки, и его ускорение относительно лодки вдоль ее продольной оси; α_в - угол поворота весла в вертлюге, отсчитываемый вокруг вертикальной оси от поперечной оси О_лz_л лодки; l_р, l_лоп, l_цмв, - расстояния от вертлюга до центров рукоятки, лопасти и центра масс весла соответственно; F_п, F_р, F_в, F_лоп - соответственно силы на подножке (приложена со стороны ног гребца), на рукоятке (приложена со стороны кистей рук гребца), на вертлюге и на лопасти весла.

Уравнения движения гребной механической системы в горизонтальной плоскости, пренебрегая, в силу малости, углами дифферента, рыскания и атаки, можно представить в виде:

- уравнение движения лодки:

- уравнение движения гребца вдоль продольной оси лодки О_лх_л:

- уравнение движения весла в проекции на связанную с веслом ось О_вх_в:

- уравнение углового движения весла вокруг оси О_вy_в:

Уравнения (1-4) можно трактовать как систему линейных алгебраических уравнений относительно искомых сил F_п, F_в, F_р, F_лоп на элементах гребной механической системы при известных зависимостях от времени кинематических параметров движения элементов гребной механической системы, фигурирующих в левой части уравнений (1-4). Разрешая эту систему, получим соотношения для искомых сил на элементах гребной механической системы в виде:

F_п=-((F_ил+F_гд+F_иг+F_ив cosα_в)l_лоп+F_иг l_р+(F_ив l_цмв-М_ив)cosα_в)/l_р;

F_р=((F_ил+F_гд+F_иг)(l_лоп+l_р)-(F_ив l_цмв+М_ив)cosα_в)/(l_p cosα_в);

F_в=((F_ил+F_гд+F_ил)(l_лоп+l_p)+F_ив cosα_в l_лоп-(F_ив l_цмв+М_ив)cosα_в)/(l_р cosα_в);

F_лоп=((F_ил+F_гд+F_иг+F_ив cosα_в))/cosα_в,

где F_гд=-cv_л² - гидродинамическая сила сопротивления движению лодки (с - коэффициент гидродинамического сопротивления); F_ил=m_ла_л, F_иг=m_г(а_л+а_г), F_ив=2((m_в+λ_в)(а_л cosα_в+ε_в l_цмв)-λ_в v_л ω_в sinα_в) - соответственно силы инерции, возникающие при поступательных движениях лодки и гребца, поступательном и вращательном движениях весла; М_ив=2((j_b+k_d)ε_d+λ_d(v_л cosα_в+ω_в l_цмв)v_л sinα_в) - момент сил инерции весла, возникающий при его вращательном движении и поступательном движении лодки; m_л, m_г, m_в - соответственно массы лодки, гребца и весла; λ_в - присоединенная масса весла вдоль оси, перпендикулярной лопасти весла; l_р, l_лоп l_цмв - соответственно расстояния от центров рукоятки, лопасти и центра масс весла до вертлюга; j_в, k_в - соответственно момент и присоединенный момент инерции весла вокруг вертикальной оси, проходящей через центр масс весла.

Последовательность действий по определению искомых сил на элементах гребной механической системы при известных массовых, геометрических и гидродинамических параметрах системы такова. В процессе гребли измеряют абсолютные ускорение а_л и скорость v_л лодки вдоль ее продольной оси, перемещение гребца s_гл относительно лодки вдоль ее продольной оси, угол α_в и угловую скорость ω_в поворота весла в вертлюге вокруг вертикальной оси, вычисляют ускорение гребца а_гл относительно лодки вдоль ее продольной оси путем дифференцирования перемещения s_гл, вычисляют угловое ускорение весла ε_в путем дифференцирования угловой скорости ω_в, вычисляют гидродинамическую силу F_гд, силы инерции F_ил, F_иг, F_ив и момент сил инерции М_ив по соответствующим соотношениям для них, фигурирующим в левых частях уравнений (1-4), определяют искомые силы на элементах гребной механической системы по соотношениям (5).

Таким образом, при реализации предложения достигается расширение спектра и повышение точности определения сил на элементах гребной механической системы на основе адекватной математической модели системы с использованием для этих целей информации о кинематических параметрах движения ее элементов. Кроме того, отказ от непосредственного использования силоизмерителей (в частности, тензометров) при определении сил на рукоятке весла приводит к уменьшению времени подготовки всей измерительной системы к работе, поскольку датчики кинематических параметров движения, в отличие от тензометров, не нуждаются в предварительной калибровке при каждой установке на лодку. В результате при реализации предложения в целом повышается эффективность тренировочного процесса в спортивной гребле.

Способ определения кинематических параметров движения гребной механической системы лодка-гребец-весла и сил на ее элементах, в соответствии с которым непосредственно измеряют ускорение (а_л) и скорость (v_л) лодки вдоль ее продольной оси, перемещение гребца (s_гл) относительно лодки вдоль ее продольной оси и угол (α_в) поворота весла в вертлюге вокруг вертикальной оси, определяют силу на подножке (F_п) и на весле (F_p), отличающийся тем, что для определения сил на элементах гребной механической системы дополнительно непосредственно измеряют угловую скорость (ω_в) поворота весла в вертлюге вокруг вертикальной оси, вычисляют ускорение гребца (а_гл) относительно лодки вдоль ее продольной оси путем дифференцирования перемещения (s_гл), вычисляют угловое ускорение (ε_в) поворота весла путем дифференцирования угловой скорости (ω_в), вычисляют гидродинамическую силу сопротивления движению лодки (F_rд) по соотношению F_гд=-cv_л², где с - коэффициент гидродинамического сопротивления, вычисляют силы инерции, возникающие при поступательных движениях лодки F_ил и гребца F_иг при поступательном и вращательном движениях весла F_ив, соответственно, по соотношениям: F_ил=m_ла_л, F_иг=m_r(а_л+а_г), F_ив=(m_в+λ_в)(а_лcosα_в+ε_вl_цмв)-λ_вv_лω_вsinα_в, где m_л, m_г, m_в - соответственно массы лодки, гребца и весла; λ_в - присоединенная масса весла вдоль оси, перпендикулярной лопасти весла; l_цмв - расстояние от вертлюга до центра масс весла, вычисляют момент сил инерции весла М_ив, возникающий при его вращательном движении и поступательном движении лодки, по соотношению М_ив=(j_в+k_в)ε_в+λ_в(v_лcosα_в+ω_вl_цмв)v_лsinα_в, где j_в, k_в - соответственно момент и присоединенный момент инерции весла вокруг вертикальной оси, проходящей через центр масс весла, определяют силы на подножке F_п, на рукоятке весла F_p, на вертлюге F_вер, на лопасти весла F_лоп, соответственно, по соотношениям:

F_п= ((F_ил + F_иr + 2F_ивcosα_в-F_гд) l_лоп+F_игl_р-2 (F_ивl_цмв+М_ив)cosα_в)/l_р;

F_p=((F_ил - F_гд + F_иг + 2F_ивcosα_в) l_лоп - 2(F_ивl_цмв+М_ив)cosα_в)/(2l_рcosα_в);

F_в=((F_ил - F_rд+F_иг)(l_лоп+l_p) + 2F_ивl_лопcosα_в - 2(F_ивl_цмв+ М_ив) cosα_в)/(2l_рcosα_в);

F_лоп=((F_ил - F_rд+F_иг+2F_ивcosα_в))/(2cosα_в),

где l_p, l_лоп - расстояния от вертлюга до центров рукоятки и лопасти весла.