Ласт

 

Использование: для увеличения скорости передвижения и поддержания экономичного режима плавания. Ласт включает крепление 1 ступни, соединительный элемент 3 и лопасть. Лопасть в предпочтительном варианте состоит из двух продольных боковых ребер 4 и поперечно к ним расположенных гидрокрыльев 5. Соединительный элемент 3 обеспечивает возможность поворота лопасти относительно горизонтальной оси в обе стороны от исходного положения с упругим возвратом. Жесткость боковых ребер непрерывно или дискретно уменьшается в направлении к задней кромке лопасти. 14 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к спортивному снаряжению для пловцов и ныряльщиков, а именно к ластам, и может быть использовано как для увеличения скорости передвижения, так и для поддержания наиболее экономичного режима плавания.

Основным недостатком известных ластов со сплошной лопастью является большое сопротивление гребку, возникающее вследствие перетекания больших масс воды из области более высокого давления перед фронтальной поверхностью лопасти в область пониженного давления через боковые кромки ласта, что сопровождается повышенным вихреобразованием. При этом усилия, прилагаемые пловцом для передвижения, весьма значительны, а величина КПД относительно низка. Другим недостатком таких ластов является произвольный неконтролируемый изгиб ласта при гребке, не обеспечивающий оптимальных углов атаки вдоль всей длины лопасти. Достаточно эффективно работает только средняя треть длины лопасти, в то время как задняя и, особенно, передняя части лопасти имеют неэффективный режим работы.

Указанные недостатки частично устраняются при использовании ластов, конструкция которых описана в патенте США N 4944703, кл. 441/62, опубл. 31.07.90, за счет выполнения лопасти ласта составной с несколькими поперечными гидрокрыльями, между которыми оставлены промежутки для прохода воды. Но и такое устройство не обеспечивает в работе оптимальных углов атаки вдоль всей лопасти ласта. Кроме того, жесткая конструкция ребер не позволяет рационально использовать эффект упругого возврата гидрокрыльев в исходное положение для создания добавочной силы тяги, так как амплитуда поворотного отклонения гидрокрыльев мала по сравнению с размахом гребного движения ласта.

Предлагаемое изобретение позволяет увеличить тягу каждого гидрокрыла, обеспечить дополнительную тягу при перемене направления гребка, повышает удобство пользования и обеспечивает возможность индивидуальной подгонки ласта.

Такой результат достигается тем, что в ласте согласно настоящему изобретению крепление ступни и лопасть связаны соединительным элементом, обеспечивающим возможность поворота лопасти относительно поперечной оси в обе стороны от исходного положения с упругим возвратом в исходное положение. Лопасть содержит по меньшей мере одно поперечное гидрокрыло, закрепленное на по меньшей мере одном продольном ребре с промежутками между креплением ступни и гидрокрыльями, а жесткость продольных ребер непрерывно или дискретно уменьшается в направлении к задней кромке лопасти. Дискретное уменьшение жесткости достигается выполнением продольных ребер из отдельных фрагментов, последовательно соединяемых эластичными амортизаторами. К каждому из таких фрагментов прикреплено гидрокрыло.

Дополнительные эксплуатационные возможности предоставляют сплошные или полые гидрокрылья с обратимо изменяемым профилем. Под воздействием нагрузки гидрокрылья прогибаются, при этом максимальный прогиб наблюдается в средней части профиля гидрокрыла.

На фиг. 1 изображен лист с соединительным элементом в виде местного ослабления ребра; на фиг. 2 ласт с соединительным элементом в виде торсиона; на фиг. 3 аксономентрическое изображение ласта (а жесткость продольных ребер уменьшается непрерывно, б жесткость продольных ребер уменьшается дискретно); на фиг. 4 различные конструкции соединительного элемента, обеспечивающего регулирование угла и усилия поворота лопасти (а вариант с вязко-упругим сопротивлением, б вариант с встроенными пружинами и упорами, в и г варианты с вынесенными пружинами); на фиг. 5 секция ласта при разборном исполнении; на фиг. 6 варианты расположения гидрокрыльев относительно продольной оси ласта; на фиг. 7 варианты исполнения гидрокрыльев в изменяемым профилем; на фиг. 8 типовые поляры симметричного и вогнутого профиля гидрокрыла; на фиг. 9 схема работы ласта.

Лучший вариант осуществления изобретения Ласт (фиг. 1-3) состоит из крепления 1 ступни, лопасти 2 и соединительного элемента 3. Соединительный элемент 3 может быть выполнен в виде местного ослабления ребра (фиг. 1, 3) или торсиона (фиг. 2), а также может иметь другую форму и/или устройство, обеспечивающие возможность поворота лопасти 2 относительно поперечной оси в обе стороны от исходного положения с упругим возвратом в исходное положение. Лопасть 2 в предпочтительном варианте исполнения включает два продольных боковых ребра 4 и поперечно расположенные гидрокрылья 5, закрепленные между ребрами 4. Однако возможно выполнение лопасти ласта и с другим числом продольных ребер (на чертежах не показано).

Жесткость продольных ребер 4 (произведение модуля упругости материала на момент инерции поперечного сечения ребра) непрерывно или дискретно уменьшается в направлении к задней кромки лопасти 2.

Непрерывное уменьшение жесткости может быть обеспечено постепенным изменением модуля упругости материала ребер 4 и/или постепенным изменением момента инерции поперечных сечений ребер относительно главной поперечной оси сечения.

При выполнении лопасти 2 разъемной в виде секций (фиг. 3, б), каждая из ребер содержит гидрокрыло 5 и фрагменты 6 продольных ребер 4, жесткость продольных ребер 4 уменьшается дискретно. В этом варианте конструктивного исполнения фрагменты 6 продольных ребер 4 соединены между собой с возможностью ограниченного поворота. Эластичные амортизаторы 7 (фиг. 5), которыми снабжены стыкуемые участки соседних секций, обеспечивают возможность поворота на угол 1-8^o.

При любом конструктивном исполнении соединительный элемент 3 обеспечивает возможность поворота лопасти 2 (или ближайших к креплению 1 ступни фрагментов 6 боковых ребер 4) на угол 5-75^o.

Соединительные элементы, изображенные на фиг. 4, содержат регулируемые упоры 8 и упругие элементы 9, имеющие неодинаковую жесткость в направлении прямого и возвратного движения. Регулируемые упоры 8 и упругие элементы 9 могут быть встроенными по месту ослабления продольного ребра 4 (фиг. 4, б) или могут крепиться снаружи ласта (фиг. 4, а, в, г). В конструктивном варианте, показанном на фиг. 4, а, упругие элементы 9 размещены в гидравлическом цилиндре 10, снабженном обратными клапанами 11 для перепуска воды и имеющем проходные отверстия 12 с регулируемым сечением. Гидравлический цилиндр 10 соединен с креплением 1 ступни. В гидравлическом цилиндре 10 находится поршень 13 и проходит шток 14. Свободный конец штока 14 соединен с регулируемым упором 8, установленном на лопасти 2. Возможно также шарнирное крепление гидравлического цилиндра 10 к лопасти 2, а регулируемого упора 8 к креплению 1 ступни.

Гидрокрылья 5 установлены так, что хорда каждого из них составляет с продольной осью лопасти 2 угол от +16^o до 16^o (фиг. 6). Конструкция ласта может предусматривать возможность регулирования угла установки гидрокрыльев 5 и их фиксацию в требуемом положении. Ближнее к креплению 1 ступни гидрокрыло 5 отделено от него промежутком не менее 0,5 длины хорды крыла 5, а ширина промежутков между гидрокрыльями 5 составляет 0,1-1,0 длины хорды. Промежутки между гидрокрыльями 5 имеют одинаковую ширину, либо ширина промежутков увеличивается в направлении задней кромки лопасти 2.

Гидрокрылья 5 могут иметь симметричный или несимметричный профиль, как постоянный, так и обратимо изменяемый (фиг. 7). Последнее достигается за счет переменной деформируемости гидрокрыла 5, причем минимальную деформируемость имеет передняя часть гидрокрыла 5, пониженную задняя и максимальную деформируемость имеет средняя часть гидрокрыла 5. На фиг. 7, а, б интенсивность штриховки гидрокрыла 5 соответствует относительной величине упругости материала. Гидрокрылья 5 могут быть изготовлены сплошными (фиг. 7, а, б) или полыми, заполненными жидкостью (фиг. 7, в-е). И в том, и в другом случае гидрокрылья 5 могут содержать закладные элементы 15 в форме тонких пластин или стержней постоянного или переменного сечения (фиг. 7, б, д, е), в том числе составных. Для повышения упругости полых гидрокрыльев 5 в передней части могут быть использованы жесткие лонжероны 16 трубчатой (фиг. 7, в, д) или стержневой (фиг. 7, г, е) формы. Полнота профиля гидрокрыла 5 может поддерживаться с помощью свободного лонжерона 17, закрепляемого на проходящих сквозь него закладных элементах 15 с фиксацией в продольном направлении. Полость гидрокрыла 5 может сообщаться с окружающей водой с помощью щели 18 в задней кромке (фиг. 7, в) или может быть выполнена герметичной (фиг. 7, г-е).

Работа устройства Гидродинамическую силу, действующую на движущееся гидрокрыло, обычно рассматривают как векторную сумму силы сопротивления X, направленной навстречу движению и подъемной силы Y, направленной перпендикулярно силе Х. Их величины определяются по известным из гидродинамики соотношениям: где C_x коэффициент сопротивления, C_y коэффициент подъемной силы, ρ плотность жидкости, V_нп скорость набегающего потока, S площадь крыла в плане.

При использовании подвижного гидрокрыла в качестве движителя можно из-за малости оптимального угла атаки в первом приближении считать, что максимальная развиваемая сила тяги близка к величине Y. На фиг. 8 представлены поляры зависимости C_y(C_x) при разных углах атаки для симметричного профиля (1) и несимметричного (вогнутого) профиля (2). Из графика видно, что угол атаки a_эк, соответствующий максимальному значению гидродинамического качества K_max C_y/C_x и, следовательно, наиболее экономичному режиму плавания, значительно меньше угла атаки α_max, при котором развивается максимальная сила тяги. Ласты, предназначенные для продолжительного плавания с минимальными затратами энергии, должны при гребке обеспечивать на каждом гидрокрыле угол атаки α ≈ α_эк, а ласты, используемые для плавания с высокой скоростью при повышенных затратах энергии, должны при гребке обеспечивать на каждом гидрокрыле угол атаки α ≈ α_max. Для разных профилей в пределах 4°≅ α_эк ≅ 12° и 12°≅ α_max≅ 22°.

На фиг. 9 показана схема работы предлагаемого ласта при гребке вверх и вниз (для плавания на груди), а также треугольники скоростей на каждом крыле. Стрелка S указывает направление движения пловца, стрелка М направление махового движения ласта; А-А продольная ось пловца; C центр поворота лопасти относительно крепления 1 ступни. Результирующая скорость каждого гидрокрыла относительно воды представляет собой векторную сумму одинаковой для всех гидрокрыльев переносной скорости пловца V_п и относительной скорости гидрокрыла V_лi, возникающей при маховом движении ноги и возрастающей (в первом приближении линейно) в направлении от переднего гидрокрыла к заднему, что связано с увеличением расстояния R_i от каждого последующего гидрокрыла до мгновенного центра вращения лопасти O, приблизительно совпадающего с тазобедренным суставом пловца. Результирующая скорость каждого крыла V_i так же, как и обратная ей скорость набегающего потока V_нпi, растет по модулю и меняет угол наклона к направлению движения по закону, также близкому к линейному. То есть для достижения оптимальных углов атаки α для всех гидрокрыльев угол отклонения g каждого последующего гидрокрыла от исходного положения должен увеличиваться от переднего гидрокрыла к заднему практически линейно, что обеспечивается при гребке поворотом каждого последующего гидрокрыла относительно предыдущего на примерно одинаковый угол b_i. Поскольку маховое движение вниз является более мощным, чем движение вверх, упругие элементы, обеспечивающие поворот гидрокрыльев при прямом и возвратном движении, обладают разной жесткостью. Подобный же эффект дает и расположение крыльев под углом к продольной оси лопасти, причем расположение задней кромки каждого крыла выше передней обеспечивает увеличение тяги, а расположение передней кромки выше задней способствует уменьшению энергозатрат.

Промежутки между креплением 1 ступни и первым гидрокрылом 5, а также между гидрокрыльями 5 снижают вихреобразование при работе ласта и обеспечивают благоприятные обтекания гидрокрыльев 5. Кроме того, повышение в узких промежутках скорости потока, омывающего спинку каждого гидрокрыла, приводит к местному падению давления, что сопровождается дополнительным увеличением силы тяги.

Ласты с помощью креплений 1 ступни фиксируют на ногах пловца. Во время плавания ноги пловца совершают маховые движения попеременно вниз и вверх. При гребке лопасть 2 ласта или ближайший к креплению 1 ступни фрагмент 6 продольных ребер 4 поворачивается в соединительном элемент 3 на угол 5-75^o относительно крепления 1 ступни. Последующие гидрокрылья 5 поворачиваются каждое по отношению к предыдущему на угол 1-8^o. Если ласт снабжен эластичными амортизаторами 7, они упруго сжимаются со стороны, противоположной направлению гребка. Указанные величины углов поворота, определенные расчетным путем и подтвержденные экспериментально, обеспечивают оптимальные углы атаки для всех гидрокрыльев 5 лопасти 2. Отклонение лопасти 2 от исходного положения может быть и упругим, и неупругим. Возврат лопасти 2 в исходное положение происходит упруго, что обеспечивается либо упругостью материала (например, торсиона), либо действием упругих элементов 9 (пружин).

Более широкие возможности использования предоставляет ласт с соединительным элементом, конструкция которого показана на фиг. 4, а. При движении поршня 13 в каком-либо направлении обратный клапан 11 беспрепятственно пропускает воду в одну из полостей гидравлического цилиндра 10. Выход жидкости с противоположной стороны гидравлического цилиндра 10, ограниченный регулируемым сечением проходного отверстия 12, вызывает сопротивление, пропорциональное квадрату или первой степени скорости истечения, зависящей от резкости махового движения ласта. При плавном (экономичном) движении сопротивление истечению незначительно, и лопасть 2 отклоняется на больший угол, обеспечивая угол атаки α_эк. При резком (скоростном) гребке сопротивление истечению жидкости возрастает, и соединительный элемент 3 проявляет большую жесткость, ограничивая угол поворота лопасти 2 и обеспечивая угол атаки α_max.

Гидрокрылья обратимо изменяемого профиля (фиг. 7) работают, как описано выше, но, кроме того, еще и прогибаются, располагаясь вогнутостью к набегающему потоку и выпуклостью в сторону, противоположную нагрузке. Закладные элементы 15 обратимо прогибаются вместе с гидрокрыльями 5. Если закладные элементы 15 выполнены составными (фиг. 7, е), их части при прогибе смещаются в продольном направлении одна относительно другой. При работе гидрокрыла 5, полость которого сообщается с окружающей водой (фиг. 7, в), его прогиб будет сопровождаться истечением воды из полости, а восстановление исходного профиля гидрокрыла 5 поступлением воды в полость через щель 18. Форма, которую профиль гидрокрыла принимает при маховом движении ласта, показана на чертеже штрих-пунктирной линией. У такого гидрокрыла характеристики K_max и C_ymax (фиг. 8) значительно превосходят аналогичные характеристики гидрокрыла с неизменяемым профилем, то есть обеспечивают дополнительное улучшение эксплуатационных свойств ласт.

Формула изобретения

1. Ласт, включающий крепление ступни и лопасть, содержащую по меньшей мере одно поперечное гидрокрыло, закрепленное на по меньшей мере одном продольном ребре с промежутками между креплением ступни и гидрокрыльями, отличающийся тем, что лопасть связана с креплением ступни соединительным элементом, обеспечивающим возможность поворота лопасти относительно поперечной оси в обе стороны от исходного положения с упругим возвратом в исходное положение, а жесткость ребер уменьшается в направлении к задней кромке лопасти.

2. Ласт по п. 1, отличающийся тем, что соединительный элемент обеспечивает возможность поворота лопасти на угол 5 75^o, а хорда каждого из гидрокрыльев составляет с продольной осью лопасти угол ± 16^o.

3. Ласт по п. 2, отличающийся тем, что соединительный элемент выполнен в виде местного ослабления продольного ребра либо торсиона.

4. Ласт по п. 2, отличающийся тем, что соединительный элемент выполнен в виде упругого шарнира.

5. Ласт по п. 1, отличающийся тем, что ближнее к креплению ступни гидрокрыло отделено от него промежутком не менее 0,5 длины хорды гидрокрыла, а ширина промежутков между гидрокрыльями составляет 0,1 1,0 длины хорды.

6. Ласт по п. 5, отличающийся тем, что промежутки между гидрокрыльями имеют одинаковую ширину либо ширина промежутков увеличивается в направлении к задней кромке лопасти.

7. Ласт по п. 1, отличающийся тем, что жесткость продольных ребер уменьшается дискретно, а лопасть выполнена разъемной в виде секций, каждая из которых содержит гидрокрыло и фрагменты продольных ребер, к которым оно крепится, причем секции соединены с возможностью поворота.

8. Ласт по п. 7, отличающийся тем, что стыкуемые участки соседних секций снабжены эластичными амортизаторами, обеспечивающими возможность поворота на угол 1 8^o.

9. Ласт по п. 4, отличающийся тем, что соединительный элемент содержит регулируемые упоры и упругие элементы, имеющие неодинаковую жесткость в направлении прямого и обратного движений.

10. Ласт по п. 9, отличающийся тем, что регулируемые упоры и упругие элементы съемно прикреплены снаружи ласта.

11. Ласт по п. 10, отличающийся тем, что упругие элементы размещены в гидравлическом цилиндре, снабженном обратным клапаном для перепуска воды и имеющем проходное отверстие с регулируемым сечением.

12. Ласт по пп. 1 11, отличающийся тем, что гидрокрылья имеют несимметричный и/или обратимо изменяемый профиль.

13. Ласт по п. 12, отличающийся тем, что гидрокрылья обладают переменной деформируемостью, минимальной в передней части гидрокрыла и максимальной в средней части.

14. Ласт по п. 13, отличающийся тем, что гидрокрылья выполнены полыми, причем полость гидрокрыла заполнена жидкостью, а вдоль передней части полости проходит жесткий лонжерон стержневой или трубчатой формы.

15. Ласт по п. 13 или 14, отличающийся тем, что гидрокрылья содержат закладные элементы в форме тонких пластин или стержней.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9