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

Изобретение относится к способам определения кинематических параметров гребной механической системы и сил, приложенных к ее элементам. При реализации предложенного способа осуществляют прямые измерения ускорения и скорости лодки вдоль ее продольной оси и угол поворота весла в вертлюге вокруг вертикальной оси. Также измеряют угловую скорость поворота весла в вертлюге вокруг вертикальной оси и на основании полученного значения вычисляют угловое ускорение поворота весла. Измеряют перемещение гребца вдоль продольной оси лодки, на основании полученного значения вычисляют его ускорение. Далее, используя полученные значения измеренных величин, вычисляют гидродинамическую силу сопротивления движению лодки, силы инерции, возникающие при поступательных движениях лодки и гребца, а также поступательном и вращательном движениях весел, момент сил инерции весла, возникающий при его вращательном движении и поступательном движении лодки. Определяют силы, приложенные к рукоятке весла, к вертлюгу, к лопасти весла и к подложке. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения сил, определяемых на элементах гребной механической системы, а также уменьшение времени предстартовой подготовки системы в тренировочном процессе. 1 ил.

 

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.