СПОРТИВНЫЙ ШЕСТ ДЛЯ ПРЫЖКОВ В ВЫСОТУ Российский патент 1996 года по МПК A63B5/06 

Изобретение относится к спортивной технике, используемой легкоатлетами, и касается спортивного снаряда, а именно конструкции шеста для прыжков в высоту.

Современный облик спортивные шесты приобрели к началу 70-х годов, когда для их изготовления стали применяться полимерные композиционные материалы, упрочненные стеклянными, углеродными и иными волокнами. В настоящее время они выполняются в виде многослойной трубчатой конструкции, причем лучшими среди них считаются стеклоуглепластиковый и стеклопластиковый шесты.

Стеклоуглепластиковый шест состоит из 5 слоев, прочно соединенных между собой эпоксидным связующим, входящим в состав материала. Внутренние первый и второй слои выполнены в виде монослоев из стеклоленты встречной спиральной намоткой встык, третий (также монослой) состоит из углеродных волокон, навитых под углом 45^о к оси шеста, четвертый слой намотан в несколько витков стеклотканью, имеющей трапециевидный раскрой и, наконец, наружный пятый слой выполнен из продольно расположенных углеродных волокон и охватывает первый виток слоя ткани трапециевидного раскроя.

Основной существенный недостаток этой конструкции заключается в том, что прогиб шеста в момент прыжка сопровождается вращением плоскости изгиба шеста. Оно неизбежно происходит под влиянием монослоя из высокомодульных углеродных волокон, навитого под углом 45^о к оси шеста.

Этот недостаток отсутствует в конструкции шеста [1]
Шест также выполнен в виде тонкостенного трубчатого стержня диаметром около 40 мм и длиной 3,5-5,2 м с переменной по длине толщиной стенки 1,5-3,0 мм. Масса шеста находится в диапазоне 2,0-3,0 кг. Шест состоит из четырех слоев стеклопластика на эпоксидном связующем, прочно скрепляющем все слои. Первый внутренний монослой образован намоткой по спирали встык непрерывной стеклолентой с соотношением содержания волокон по утку и основе примерно 0,1. Лента имеет ширину около 25 мм и наматывается на слабо коническую металлическую оправку с углом до 15^о к образующей шеста. Указанный монослой образует трубу толщиной около 0,25 мм, способную воспринимать окружные напряжения. Второй слой состоит из 3-4 витков стеклоткани с соотношением утка и основы 0,1-0,05, причем основа, содержащая 90% волокон, располагается вдоль шеста. Ткань имеет прямоугольную форму с размерами: продольный соответствует длине формируемого шеста, поперечный длине 3-4 витков стеклоткани. Слой, образуемый витками стеклоткани, имеет постоянную по всей длине шеста толщину, составляющую 0,75-1,0 мм и предназначен для того, чтобы воспринимать осевые и изгибные нагрузки. Третий во всем аналогичен первому монослою, но уложен встречной ему спиральной навивкой. Вместе с первым монослоем он обеспечивает монолитную работу продольных волокон, препятствуя их расщеплению и расслоению при изгибе шеста. Четвертый слой имеет увеличивающуюся по линейному закону от концевых участков к срединной части шеста, переменную толщину 1,0-2,0 мм. Он намотан той же стеклотканью, что и второй слой, но имеющей трапецевидную форму раскроя. Нижняя сторона основание трапеции имеет длину, равную длине шеста, а верхняя 0,7-0,85 от размера нижней. Высота трапеции соответствует длине 4-8 витков, образующих слой. Форма трапецевидного раскроя может быть как симметричной, так и асимметричной относительно середины шеста. Этот слой обеспечивает изменяемость изгибной жесткости шеста по его длине.

По совокупности признаков эта конструкция наиболее полно соответствует заявляемому изобретению и поэтому она выбрана в качестве прототипа. Основные недостатки, устраняемые предлагаемым нами техническим решением, касаются четвертого слоя прототипа. Они заключаются в том, что во-первых, трапецевидный слой стеклоткани принципиально не может обеспечить достижение оптимальной изгибной жесткости шеста, что в конечном счете конкретно проявляется в неизбежно излишней массе шеста. Устранение этих взаимосвязанных недостатков (трапецевидный раскрой и излишняя масса) позволяет увеличить скорость разбега спортсмена, а значит и высоту прыжка, а также уменьшить усталость прыгуна на тренировках, что, в свою очередь, отразится на повышение их эффективности.

Задачей заявляемого изобретения является такое преобразование конструкции спортивного шеста, при котором достигается более высокая чем у прототипа его функциональная эффективность как спортивного снаряда, существенно влияющего на конечный результат прыгуна. Решается эта задача за счет размеров и формы раскроя стеклоткани, предназначенной для намотки слоя, обеспечивающих требуемую осевую прочность и оптимальную изгибную жесткость шеста. Конечный же технический результат, относящийся непосредственно к конструкции шеста и его потребительским качествам, проявляется в снижении массы и повышении изгибной энергоемкости шеста, позволяющих прыгуну улучшить свой спортивный результат.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в отличие от прототипа слой стеклоткани с волокнами, расположенными преимущественно в продольном направлении, имеет переменную толщину сложного профиля, причем на концевых участках, составляющих по 0,08-0,2 от общей длины шеста, толщина постоянная, а затем плавно увеличивается к срединной части шеста по кривой второго порядка и выполнен не раздельно, а из единого полотнища стеклоткани с участком прямоугольной формы на длине, соответствующей 1-4 виткам, формирующим толщину концевых участков слоя, а в срединной части длины плавно увеличивается по кривой второго порядка до величины, равной суммарной длине всех витков, формирующих слой шеста заданного профиля переменной толщины. Четвертый наружный слой намотан на опорном концевом участке шеста на ограниченной длине, составляющей 1,0% от длины шеста и выполнен в виде 2-3 витков стеклоленты с волокнами, преимущественно расположенными в окружном направлении.

Длина каждого участка и профиль раскроя стеклоткани, а соответственно толщина и профиль стенки по длине шеста выбраны такими, чтобы возникающие в шесте максимальные напряжения изгиба и максимальные относительные деформации были одинаковы на всей активной части длины шеста (т.е. на длине, исключающей участки, используемые для захвата и опоры) и составляли 0,75-0,80 от их предельных значений, приводящих к разрушению.

Именно одинаковые значения максимальных деформаций на всей активной длине обеспечивают минимизацию массы шеста, поскольку очевидно, что при неодинаковых их значениях, участки менее деформируемые, т.е. имеющие избыточную толщину и вес по сравнению с оптимальными, вносят соответственно меньший вклад в накапливаемую шестом энергию, реализуемую спортсменом в момент прыжка. (Это приводит к повышенным деформациям в остальной части шеста). С другой стороны, как показали наши исследования, относительные деформации выше 0,80 от предельных (разрушающих) приводят к усталостному разрушению стеклопластика при ограниченных количествах циклов нагружения и тем меньших, чем ближе максимальная деформация к предельному значению.

Таким образом, в заявляемой нами конструкции оптимизация толщины и профиля стенки шеста может решать две технические задачи: уменьшить массу шеста или увеличить его изгибную энергоемкость, сохраняя при этом характеристики прочности, в том числе усталостной, на заданном уровне. Естественно, что шест с улучшенными техническими характеристиками позволяет прыгуну достичь более высоких спортивных результатов.

Кроме технического, реализация заявляемого изобретения позволяет также получить попутный социальный и экономический результат, поскольку открывает возможности для полного удовлетворения потребностей массового спорта в шестах с уровнем характеристик, не уступающим современным элитным шестам аналогам заявляемому, но изготовленных из доступных, недорогих и недефицитных стеклопластиков.

На фиг. 1 графически (в качестве примера) показано влияние малых приращений скорости разбега спортсмена, обусловленных, в частности, снижением массы шеста, на приращение высоты подъема центра масс (Ц.М.) спортсмена. Расчет выполнен по формуле:
Δh ≈ т.к ≈ 1 полученной из известной зависимости U= и не учитывает энергию, приобретаемую спортсменом при отталкивании K F²/2m, где F f(t), t время отталкивания. Фактическое увеличение этой энергии по мере снижения массы шеста, способствует также некоторому увеличению высоты подъема Ц.М. спортсмена.

Из рассмотрения фиг.1 следует, что приращение скорости спортсмена на каждую 0,1 м/с увеличивает высоту прыжка более чем на 1 см. А этим, безусловно, не может пренебречь ни один спортсмен особенно, если он стремится к достижению рекордного результата. Достижение же такого результата требует от спортсмена максимально высокого прыжка не вообще, а обязательно в вертикальной плоскости, проходящей через планку и зависит прежде всего от изгибной жесткости шеста, его длины и умения спортсмена воспользоваться оптимальными качествами шеста, т.е. от техники прыжка.

Для оценки влияния на высоту прыжка параметров, относящихся к шесту, нами была разработана математическая модель, позволяющая качественно и количественно изучать вклад характеристик материала, в частности его модуля упругости Е и конструктивных особенностей шеста, прежде всего момента инерции I сечения, в результативность прыжка. Характеризуя в совокупности изгибную жесткость шеста EI, они весьма существенно влияют на высоту прыжка, о чем свидетельствует фиг. 2. Причем очень важно то, что зависимость высоты прыжка от изгибной жесткости шеста имеет экстремальный характер. А это означает, что как при меньшей, так и при большей жесткости чем оптимальная максимум высоты прыжка не может быть достигнут.

Пример результатов расчета профиля стенки, равномерно деформирующейся по длине при изгибе шеста, приведен на фиг.3.

Распределение толщины стенки по длине шеста было рассчитано на ЭВМ по программе, разработанной на основе упомянутой выше математической модели прыжка. Результаты расчета представлены в форме таблицы, сопровождающей график фиг.3. В качестве исходных данных в представленном примере приняты: длина шеста l 5,0 м, максимальная продольная сила, воздействующая на шест в момент толчка, составляет Р 86,5 кг, что соответствует массе спортсмена m_с ≈ 69-70 кг, максимально допустимый прогиб шеста W_max 135 см, максимальная относительная деформация ε_max 0,012 при предельно допустимом ее значении ε_пр 0,017, модуль упругости постоянен по длине и равен Е 40 ГПа, диаметр оправки для намотки шеста имеет небольшую конусность от концов к середине, причем диаметр оправки в середине d_ц 35 мм и на концах d_к 37,5 мм.

Как видно из фиг. 3, шест имеет три участка, различающихся по толщине стенки: два концевых участка 1, (2), рассчитанных из условия обеспечения прочности и устойчивости стенки шеста, и срединный участок 3, обеспечивающий изгибную жесткость, оптимальную для спортсмена определенной массы. В нашем примере на фиг. 3 шест для спортсмена массой m_с ≈ 69-70 кг, имеет длину концевых участков 1 и 2 по 65 см, толщину стенки на этой длине по 1,1 мм и длину срединной части 3, равнодеформируемой при изгибе, 370 см.

На фиг.4 показана схема построения профиля раскроя полотнища стеклоткани для намотки шеста со стенкой, толщина которой меняется по расчетному закону (см. фиг.3). Исходным для построения профиля раскроя принят средний диаметр оправки (36,25 мм), увеличенный на двойную толщину монослоя из стеклоленты (2х0,25 мм) и составляющий 36,75 мм. В виде таблицы на фиг.4 приведены также данные, характеризующие изменение диаметра по мере намотки стеклоткани и длины полотнища. Как следует из приведенных иллюстраций, для изготовления рассматриваемого в них примерa шеста требуется стеклоткань шириной около 1 м и длиной 5 м, причем стенка шеста из нее формируется за 8 витков, из которых 4 витка выполнены частью полотнища прямоугольной формы, размером 473х5000 мм и 4 витка профилированной частью полотнища с максимальными размерами по ширине 500 мм и по длине 4870 мм.

Раскрой ткани относительно середины шеста приведен на фиг.5 в масштабе 1:10.

Конструкция шеста и схема расположения витков в слоях помещены на фиг.6, где обозначены: 1 удаляемая оправка; 2 внутренний спиральный монослой из стеклоленты; 3 часть слоя, состоящая из витков участка стеклоткани прямоугольного профиля; 4 часть слоя, состоящая из участка профилированной стеклоткани; 5 наружный спиральный монослой из стеклоленты; 6 концевая подмотка шеста стеклолентой; 0 опорный торец; А участок "хвата".

Повышение изгибной энергоемкости и уменьшение массы, как основных направлений совершенствования функциональных качеств спортивного шеста (актуальность и практическая целесообразность этого показана, в частности, на фиг.1 и 2), могут быть достигнуты за счет придания шесту способности одинаково деформироваться по всей активной части длины, что эквивалентно требованию постоянства кривизны на этом участке. А для удовлетворения этого требования необходимо, чтобы в конструкции шеста не было так называемых паразитных малодеформирующихся объемов, возле которых к тому же возникают зоны концентрации напряжений, также отрицательно влияющие на качество конструкции. Именно реальность выполнения этого условия определяет возможность осуществления изобретения. Реализуется же оно за счет придания стенке шеста специального профиля, меняющегося по длине шеста по заданной расчетной кривой второго порядка (см. фиг.3).

Профиль стенки шеста, удовлетворяющий требованию постоянства его кривизны при прыжке, рассчитывается с помощью следующих уравнений, полученных в результате анализа деформированного состояния шеста:
δ(s) _ d(s)
I(s) sinsin
ρ где δ(s) толщина стенки в точке S;
I(S) момент инерции сечения шеста в точке S;
ρ радиус кривизны шеста при максимальном прогибе;
d(S) распределение внутреннего диаметра шеста по длине во всех точках совпадает с диаметром оправки, используемой для намотки шеста;
S расстояние от начала активной части шеста до рассматриваемого сечения;
l длина активной части шеста (расстояние от упорного торца до места "хвата");
Е модуль упругости стеклопластика;
Р сила, действующая на шест и направленная по хорде;
Нmax максимальный прогиб шеста.

Характерные значения W_max для шеста длиной 4,5-5,0 м составляют 1,3-1,5 м, а сила Р принимается примерно на 20% большей веса спортсмена, на которого рассчитывается шест.

Легко заметить, что толщина стенки на концах шеста, т.е. при S 0 и S 1, рассчитанная по этим формулам, должна быть равной нулю. Именно поэтому для концевых участков она рассчитывается не из условия обеспечения равенства кривизны, а исходя из требования достижения необходимой прочности и геометрической устойчивости стенки шеста и, как это видно на фиг.3-5, принимается равной
δ_min где ε_пр предельно допустимая относительная деформация стеклопластика ≈0,02;
R наружный радиус шеста на концах.

Естественно, что в связи с этим концевые участки, в сумме составляющие менее 20% длины шеста, обладают повышенной изгибной жесткостью по сравнению с остальной активной частью длины шеста.

Шест с расчетным профилем стенки создается путем намотки слоя из нескольких витков профилированной стеклоткани. Пример построения профиля раскроя ткани показан на фиг.4 и 5.

В целом же заявляемый шест представляет собой конструкцию из стеклопластика на эпоксидном связующем (фиг.6), состоящую из намотанного на удаляемую оправку 1 спиральной навивкой встык монослоя 2 из стеклоленты, намотанного на него профильного слоя, состоящего из 2-4 витков прямоугольной части полотнища 4 стеклоткани, 2-4 витков из профилированной части 4 того же полотнища, наружного спирального монослоя 5, выполненного встречной навивкой по отношению к внутреннему монослою 2, и четвертого окружного слоя на опорном конце 0, составляющем около 1,0% от длины шеста, выполненного из 2-3 витков стеклоленты.

При эксплуатации шеста заявленной конструкции два спиральных монослоя внутренний 2 и наружный 5 воспринимают окружные напряжения, возникающие при изгибе трубчатого шеста, предохраняя тем самым промежуточный слой 3 и 4, в котором волокна имеют преимущественно продольное направление, от расслоения и раскалывания, а встречная навивка монослоев 2 и 3 исключает опасность вращения плоскости изгиба. Осевая и изгибная прочность шеста и, что принципиально отличает его от прототипа и является сущностью изобретения, равномерность изгибной жесткости и максимальная энергоемкость шеста, неизбежно сопровождающиеся минимизацией массы, обеспечиваются свойствами среднего силового слоя, имеющего строго заданный профиль, без перегибов, плавно, по расчетной кривой второго порядка меняющийся от концевых участков к срединной части шеста. Подмотка же из нескольких слоев стеклоленты на опорном конце шеста предназначена предохранить его от преждевременного разрушения смятием.

Шесты заявляемой конструкции и прототип были подвергнуты всесторонним сравнительным лабораторным испытаниям на прочность, деформативность и изгибную жесткость, а также натурным испытаниям с целью оценки их эксплуатационных качеств.

Лабораторные испытания с использованием динамометрической и тензометрической аппаратуры и натурные испытания, проведенные спортсменами высшей квалификации в присутствии специальной комиссии, полностью подтвердили правильность теоретических расчетов и эффективность предложенных путей, позволяющих улучшить по сравнению с прототипом функциональные качества спортивного шеста для прыжков в высоту.

Изобретение касается спортивного шеста трубчатой конструкции, выполненной по намоточной технологии и состоящей из двух монослоев стеклоленты с перекрестно уложенными витками встык и расположенного между ними слоя из витков профилированной стеклоткани на эпоксидном связующем, причем волокна стеклоткани преимущественно ориентированы вдоль шеста. Предложенная конструкция отличается от лучших современных аналогов более высокими деформативностью, жесткостью и энергоемкостью, а также меньшей массой. Достигается это за счет придания стенке шеста переменной толщины не трапецеидального вида, как у аналогов, а имеющий профиль кривой второго порядка, рассчитанной из условия обеспечения равенства максимальных деформаций во всех точках по длине изогнутого шеста и полученной путем использования для намотки профилированной выкройки из ткани. 6 ил.

СПОРТИВНЫЙ ШЕСТ ДЛЯ ПРЫЖКОВ В ВЫСОТУ, имеющий трубчатую форму и состоящий из скрепленных между собой эпоксидным связующим слоев стеклопластика, из которых внутренний и наружный образованы спиральной намоткой встык стеклоленты со встречным направлением витков, а промежуточный - витками стеклоткани, полотнище которой имеет прямолинейные стороны и 95 - 97% ее волокон ориентированы вдоль оси шеста, отличающийся тем, что он снабжен дополнительным слоем, расположенным в опорной части шеста на участке наружного слоя, составляющем 1% длины шеста и образованным 2 - 3 витками стеклоленты, 90% волокон которой ориентированы в окружном направлении, при этом полотнище для образования промежуточного слоя имеет по меньшей мере одну расположенную вдоль оси шеста криволинейную сторону, кривизна которой изменяется по зависимости кривой второго порядка, причем ширина полотнища соответствует суммарной длине всех витков, образующих заданный профиль, концевые участки промежуточного слоя образованы 1 - 4 витками прямолинейной части полотнища, длина каждого из них составляет 0,08 - 0,2 длины шеста, а средний участок сформирован криволинейной частью полотнища с образованием переменной толщины слоя, имеющей постоянные значения на концевых участках и увеличивающейся к центральной части по нелинейной зависимости.