СПОСОБ ПОДБОРА СПОРТИВНОГО ИНВЕНТАРЯ Российский патент 2009 года по МПК A63C11/00 

Изобретение относится к области спортивного инвентаря и может быть использовано при подборе оптимального инвентаря в таких видах спорта, как беговые и горные лыжи, сноуборд, санный и конькобежный спорт, водный спорт (академическая гребля, байдарки и каноэ и др.)

Во всех этих видах спорта важную роль играют силы взаимодействия спортивного инвентаря с поверхностью трассы (с внешней средой).

Наиболее трудоемким и во многих случаях трудно предсказуемым является подбор инвентаря в лыжных гонках, биатлоне и других беговых лыжных видах спорта. Это происходит из-за очень большого количества факторов, влияющих на скольжение, и большого количества их сочетаний в реальных условиях.

До настоящего времени при подборе лыж учитывают лишь силы трения скользящей поверхности (лыжная мазь, парафин, материал скользящей поверхности, форма накатки, штайншлифт и т.д.) и сопротивление скольжению, обусловленное формой дуги прогиба лыж под действием сил отталкивания.

Статический и динамический коэффициенты трения определяют, например, приборами типа «Уктус» (А.С. СССР 1454488 от 1989 г. МКИ А63С 11/04). Выбирают вариант с наименьшим динамическим коэффициентом для конькового хода или лучшее сочетание статического и динамического коэффициентов для классического хода передвижения. Другим вариантом определения коэффициента трения является откатка «мышки» (четырехгранный брусок с заостренным концом, на каждую грань которого накладывается вариант смазки). Затем измеряют длину выката «мышки» со склона на каждой из граней. Определяют лучшие варианты подготовки лыж, и эти варианты тестируются спортсменами на различном рельефе трассы. Но полученные результаты таких измерений часто противоречивы и субъективны, так как испытаниям подвергается модель, которая не учитывает всех влияющих на скольжение факторов. С другой стороны, наука трибология достигла больших успехов в борьбе с трением. Разработаны технологии подготовки контактной поверхности, обладающие самыми низкими коэффициентами трения. Борьба идет за снижение коэффициента трения на сотые и тысячные доли процента. В то же время разница в скольжении двух экземпляров одинаково подготовленного спортивного инвентаря даже от одного производителя очень существенна и достигает нескольких десятков процентов. Это говорит о том, что кроме коэффициентов трения имеются другие факторы, влияющие на силы сопротивления перемещению спортивного снаряжения по трассе.

Силы сопротивления движению, обусловленные формой дуги прогиба лыжи и распределением величины давления на трассу по длине лыжи, определяют в настоящее время косвенно - с помощью флекс-тестера (струбцина с калиброванным индикатором усилия) с измерением зазоров между двумя сложенными лыжами при различных усилиях сжатия или тензодатчиков (специальный тензоприбор, например, конструкции ВИСТИ), при помощи которого измеряют распределение давления под скользящей поверхностью лыжи при различных нагрузках. Накопленные статистические данные о соответствии различных форм дуги прогиба спортивного инвентаря под нагрузкой и условий снежной трассы (жесткость, температура, влажность и т.д.) позволяют приблизительно производить подбор спортивного инвентаря. Но самые разнообразные сочетания погодных условий, разнообразный рельеф трассы, индивидуальные особенности техники передвижения спортсмена и т.п. не позволяют надежно прогнозировать работу отобранного спортивного инвентаря.

Известен также способ подбора спортивного инвентаря путем измерения характеристик спортивного инвентаря на реальной снежной трассе, на откаточном склоне - сравнения длины "выката" у различных лыж и при различных вариантах смазки. В последние годы чаще сравнивают скорости и ускорения движения двух спортсменов, скользящих по склону на параллельных лыжнях, затем лыжники меняются лыжами и повторяют испытания. По результатам испытаний производят выбор оптимального варианта. Но такие измерения требуют большого количества скатываний (времени) для получения достоверных результатов. Кроме того, такие измерения пригодны для узкого диапазона скорости скольжения спортивного инвентаря и не позволяют выявлять лучший инвентарь для широкого диапазона скоростей, что имеет место на реальной лыжной трассе.

Известна электронная система слежения и передачи нескольких разнородных данных в режиме реального времени (АТ 502890 2007-06-15 МКИ А63С 11/00). С помощью такой системы возможна параллельная передача нескольких показателей работы спортивного инвентаря и текущих показателей состояния спортсмена. Например, в зависимости от целей выполняемых измерений и используемых для этого датчиков измеряют время прохождения участка пути, частоту сердечного ритма, мощность отталкивания или любые другие необходимые параметры. Такое оборудование делает возможным использование для измерения параметров движения любых известных датчиков.

Известен (прототип, Российский патент №2176538, приоритет 2000.10.12, МПК А63С 11/00) способ подбора поверхности скольжения спортивного инвентаря, заключающийся в свободном многократном перемещении инвентаря или его макета по заданному участку трассы с замером параметров перемещения посредством фотодатчиков, вычислении коэффициентов трения скольжения и последующем выборе оптимального варианта.

Недостатком такого способа является то, что измеряемые параметры перемещения спортивного инвентаря зависят от величины прилагаемых спортсменом усилий, которые невозможно в точности повторить. Поэтому приходится проводить опыты многократно для получения усредненных данных. В свою очередь, многократные опыты приводят к усталости спортсмена. В итоге на другой серии опытов для другого спортивного инвентаря может быть получен необъективный результат.

Кроме того, такой способ позволяет сравнивать параметры перемещения, например коэффициент трения скольжения, в узком диапазоне скоростей, поскольку коэффициент трения скольжения нелинейно зависит от скорости перемещения. Для другого диапазона скоростей перемещения требуется выполнение работы заново. Скорость движения лыжника по дистанции изменяется в широком диапазоне, приблизительно от 2 до 20 м/сек. Поэтому определить коэффициент трения скольжения для всего диапазона скоростей в условиях соревнований не представляется возможным из-за отсутствия достаточного количества времени для проведения большого числа опытов.

В последние годы были выполнены поисковые исследования скольжения лыж с использованием математических методов (http://www.vector-ski.com/ru/ski_simulation2.htm).

Одним из главных результатов этих исследований является выявление важного фактора - пульсации давления лыж при скольжении и колебательные (волновые) деформации трассы.

В результате математического моделирования скольжения лыж было выявлено наличие в снежной трассе пульсирующих деформаций, напоминающих по форме турбулентные потоки. Подобные потоки образуются, например, при обтекании воздухом крыла самолета или обтекании водой корпуса судна.

Была выполнена проверка этих выводов в реальных условиях лыжной трассы с использованием датчика-акселерометра. Экспериментальные исследования подтвердили наличие вертикальных и продольных колебаний лыж на идеально ровной трассе. Была установлена зависимость амплитуды и частоты этих колебаний от жесткости снежной трассы и скорости скольжения лыж. Это указывает на наличие турбулентных и ламинарных явлений при скольжении лыж и соответствует данным, полученным при математическом моделировании.

В настоящее время при выборе и подготовке спортивного инвентаря в спорте высших достижений не учитываются ламинарные и турбулентные явления, возникающие во время движения инвентаря по трассе. Однако эти явления оказывают существенное влияние на силы сопротивления перемещению спортивного инвентаря.

Целью изобретения является повышение надежности подбора спортивного инвентаря за счет измерения амплитудно-частотных характеристик взаимодействия спортивного инвентаря с трассой и определения степени турбулентности процессов, возникающих при движении спортивного инвентаря в реальных условиях трассы во всем диапазоне соревновательных скоростей.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе подбора спортивного инвентаря, включающем измерение параметров его движения непосредственно во время перемещения по трассе, обработку полученных данных и последующий выбор оптимального варианта, при этом, по меньшей мере, одним датчиком-акселерометром измеряют амплитудно-частотные характеристики спортивного инвентаря в диапазоне возможных скоростей перемещения, а при обработке полученных данных определяют степень турбулентности явлений, возникающих при движении по трассе, и затем выбирают спортивный инвентарь по критерию максимума скорости перехода от ламинарного к турбулентному режиму перемещения для всего используемого диапазона скоростей движения. Степень турбулентности явлений, возникающих при перемещении спортивного инвентаря по трассе, определяется как

где - осредненная по времени скорость, м/с.

- средняя квадратичная величина от мгновенных значений пульсаций за период Т, м/с.

Мерой турбулентности считают среднюю квадратичную величину от мгновенных значений пульсаций за период Т

где - пульсация скорости в данной точке относительно среднего по времени значения, м/с.

Скорость перехода от ламинарного режима к турбулентному режиму перемещения определяют как узкий диапазон скоростей перемещения спортивного инвентаря, в котором увеличение степени турбулентности (ε) происходит с высокой интенсивностью в сравнении с аналогичными смежными диапазонами скоростей.

При этом амплитудно-частотные характеристики взаимодействия спортивного инвентаря с трассой измеряют с использованием, по меньшей мере, одного датчика-акселерометра.

Такой способ подбора спортивного инвентаря позволяет учитывать важный фактор - амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) спортивного инвентаря и ламинарные и турбулентные явления, возникающие как отклик на перемещение по реальной трассе. На низких скоростях перемещения спортивного снаряда (например, 0-2 м/с) и на жесткой трассе вклад степени турбулентности в АЧХ незначителен и оказывает меньшее влияние на силы сопротивления перемещению в сравнении с коэффициентом трения и силами лобового сопротивления. Однако на высоких скоростях перемещения (например, 5-20 м/с) и на мягкой трассе или трассе с высокой влажностью вклад степени турбулентности в АЧХ и влияние на силы сопротивления перемещению спортивного инвентаря может значительно превысить силы, связанные с коэффициентом трения.

С количественной стороны при перемещении спортивного снаряда по трассе возникающий турбулентный режим отличается от ламинарного режима частотой и амплитудой пульсаций. Колебания скорости в ламинарном режиме носят более правильный (периодический) характер, обладают малой частотой и амплитудой. В турбулентном режиме пульсации носят беспорядочный характер и обладают высокой частотой.

Степень турбулентности резко меняет свою величину при переходе от ламинарного режима перемещения спортивного инвентаря к турбулентному режиму. Увеличение скорости перемещения спортивного инвентаря от малых скоростей к большим характеризуется вначале незначительным увеличением степени турбулентности, а затем при достижении определенной скорости (зависящей от большого числа факторов) степень турбулентности резко возрастает, достигая максимума, и в дальнейшем сохраняется практически постоянной или даже несколько уменьшается. Высокая интенсивность изменения степени турбулентности определяет скорость перехода от ламинарного режима к турбулентному режиму перемещения.

Определение степени турбулентности явлений, возникающих при перемещении спортивного снаряда по реальной трассе, позволяет оценивать силы сопротивления перемещению. Чем выше скорость перехода от ламинарного режима к турбулентному режиму перемещения у конкретного спортивного инвентаря, тем этот инвентарь более эффективен в широком диапазоне скоростей перемещения, например, на трассах с большими перепадами высотных отметок местности. Отбор проводят по критерию максимума скорости перехода от ламинарного режима к турбулентному режиму перемещения.

Этот анализ указывает на наличие новизны в заявленном способе.

Сравнение заявленного способа с другими техническими решениями того же направления показывает, что измерение амплитудно-частотных характеристик, определение по ним степени турбулентности явлений, возникающих при перемещении спортивного снаряда по трассе, и определение скорости перехода от ламинарного режима движения к турбулентному позволяет более точно осуществлять подбор спортивного инвентаря для реальных условий трассы и не требует многократного повторения замеров.

Таким образом, можно сделать вывод о превышении заявленным способом существующего уровня техники.

Способ побора спортивного инвентаря поясняется на примере его выполнения.

Подбор спортивного инвентаря выполняют по критерию максимума скорости перехода от ламинарного режима движения к турбулентному режиму. Для этого на первый испытываемый спортивный снаряд устанавливают датчик-акселерометр, подключенный кабелем, например, к портативному виброанализатору данных СД-21 (http://www.vibrotek.com/russian/catalog/dc-21/index.htm) и, перемещая спортивный снаряд по реальной трассе с переменной скоростью, укладывающейся в диапазон соревновательной скорости (например, 2-20 м/с), записывают амплитудно-частотную характеристику вибросигнала и одновременно определяют (с помощью установленного программного обеспечения) максимальную скорость перехода от ламинарного режима движения к турбулентному режиму. Затем эти операции повторяют для второго испытываемого спортивного снаряда.

Пример расчета степени турбулентности для первого и второго спортивного снаряда соответственно:

где ν′ - мгновенные значения скорости перемещения за период времени Т=10 с для первого спортивного снаряда (3, 4, 6, 2, 5, 6, 3, 7, 1, 2);

где ν′ - мгновенные значения скорости перемещения за период времени Т=10 с для второго спортивного снаряда (3, 6, 8, 2, 5, 6, 3, 7, 9, 2).

Степень турбулентности явлений соответственно для первого и второго спортивного снаряда

Можно сделать вывод, что второй спортивный снаряд на данной скорости имеет большую степень турбулентности. Делая расчеты для разных скоростей скольжения, можем определить критическую скорость, на которой происходит переход с ламинарного режима на турбулентный режим для каждого спортивного снаряда.

Ниже представлены результаты компьютерной обработки вибросигналов датчика-акселерометра, установленного на лыжах Madshus с платформой NIS и лыжах Madshus без платформы NIS, полученных при скольжении с горы в диапазоне скоростей 0-6 м/с.

В левой части окна на фиг.1 и 2 показан декомпозитный сигнал с разделением на детальные коэффициенты по частоте (возрастают сверху-вниз, d1 - высокие частоты, d10 - низкие частоты). Нас интересуют высокие частоты d1, d2, d3, которые характеризуют степень турбулентности скольжения на мягкой трассе. Более низкие частоты вибрации лыж, которые характеризуют колебания лыж от действия других факторов, мы в данном случае не рассматриваем.

В правой части окна вверху показан оригинальный сигнал с наложением другим цветом «обесшумленного» сигнала. В правой части окна внизу показаны спектрограммы оригинального и «обесшумленного» сигнала. На вертикальной оси спектрограмм показаны детальные коэффициенты частоты с возрастанием сверху вниз. На горизонтальной оси отложено опосредованное время скатывания лыж (количество участков дискретизации сигнала). Скорость скольжения возрастает от 0 до 6 м/с на временном участке 0-60000 и затем постепенно убывает от 6 м/с до 0 на временном участке от 60000 до 90000. Амплитуда колебаний показана яркостью цвета.

Из анализа спектрограмм на фиг.1 и 2 можно сделать вывод, что первые лыжи Madshus с платформой NIS имеют гораздо меньше высокочастотных колебаний, характеризующих на мягкой трассе степень турбулентности скольжения. К тому же эти колебания возникают на значительно более высокой скорости скольжения в сравнении со вторыми лыжами Madshus без платформы NIS. Результаты измерений расстояний выката лыж, выполненные параллельно с измерением вибраций, показали преимущество первых лыж Madshus с платформой NIS и подтвердили правильность критерия выбора лыж по максимальной скорости перехода от ламинарного режима движения к турбулентному режиму.

Изобретение относится к области спортивного инвентаря и может быть использовано при подборе оптимального инвентаря в таких видах спорта, как беговые и горные лыжи, сноуборд, санный и конькобежный спорт, водный спорт (академическая гребля, байдарки и каноэ и др.). Способ заключается в измерении параметров движения каждого испытываемого инвентаря непосредственно во время перемещения по реальной трассе, обработке полученных данных и последующем выборе оптимального варианта. При этом измеряют амплитудно-частотные характеристики взаимодействия инвентаря с трассой в диапазоне возможных соревновательных скоростей перемещения, а при обработке полученных данных определяют степень турбулентности явлений, возникающих при перемещении инвентаря по трассе, и затем выбирают инвентарь по критерию минимума степени турбулентности на соревновательной скорости. Изобретение обеспечивает повышение надежности подбора инвентаря. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ подбора спортивного инвентаря, заключающийся в измерении параметров движения каждого испытываемого спортивного инвентаря непосредственно во время перемещения по реальной трассе, обработке полученных данных и последующем выборе оптимального варианта, отличающийся тем, что измеряют амплитудно-частотные характеристики взаимодействия спортивного инвентаря с трассой в диапазоне возможных соревновательных скоростей перемещения, а при обработке полученных данных определяют степень турбулентности явлений, возникающих при перемещении инвентаря по трассе, и затем выбирают спортивный инвентарь по критерию минимума степени турбулентности на соревновательной скорости.

2. Способ подбора спортивного инвентаря по п.1, отличающийся тем, что степень турбулентности явлений, возникающих при перемещении спортивного инвентаря по трассе, определяют по формуле

где - мгновенное значение скорости перемещения, м/с;
- среднее квадратичное значение скорости перемещения за период времени Т, м/с, рассчитывается по формуле

3. Способ подбора спортивного инвентаря по п.1, отличающийся тем, что амплитудно-частотные характеристики взаимодействия спортивного инвентаря с трассой измеряют с использованием, по меньшей мере, одного датчика-акселерометра.