Измерение силы натяжения каната

Измерение силы натяжения каната

24. July 2008 Christian Katlein , Patrick Engel
Partner: LORENZ Messtechnik GmbH

Оригинал статьи (.pdf, англ, ~ 800 кб)

Перевод АЛЬФА-СЕНСОР © 2010

1. «Slacklining» - акробатика на канате
«Slacklining» (акробатика на канате) – тенденция в спорте, которая становиться все более популярной в последние годы. Зародилась она в легендарном лагере альпинистов „Camp 4“ в Yosemity‐Valley (США) с 70-х и испытывает второе рождение в наши годы.

Для Slacklining используется плоская, эластичная синтетическая лента (25‐35 мм), натянутая между двумя фиксированными точками (например, между двумя деревьями) посредством натяжного блока или трещетки. Спортсмен перемещается по этому канату и пытается выполнить различные  трюки и прыжки. С первого взгляда это похоже на выступление канатоходцев в цирке, но есть существенные различия, связанные, прежде всего, с различным материалом каната и различными требованиями. Канат в Slacklining может быть закреплен множеством различных способов. Также, длина каната может варьироваться между 5 и 200 м. Для коротких канатов характерно изменение натяжения от строго натянутого до провисания. Высотная разновидность, “Highlining“, представляет наиболее сложную разновидность этого вида спорта. Здесь канат натягивается на высоте, превышающей высоту прыжка, например, между двумя гребнями горы. Каждая из разновидностей Slacklining имеет свои характерные риски и опасности.

2. Постановка задачи

Нарастание сил в Slackline канате (в дальнейшем, для краткости – канате) происходит очень быстро. Физические процессы, происходящие при этом, известны лишь немногом спортсменам и это часто приводит к неправильной оценке возможных отказов оборудования.
Установка датчиков силы в цепи каната в лабораторных и натурных условиях, позволяет получить информацию о величинах сил и потенциальной опасности, связанной с их возникновением.

Даже опытные спортсмены часто не имеют реального представления о силах, возникающих в канате, поэтому бывает так, что система выходит за предельно допустимые размеры и становится небезопасной. Так, канаты очень большой длины, называемые длинномерными, требуют очень большого предварительного натяжения (~10 кН) для того, чтобы спортсмен не коснулся земли в середине. Несмотря на надежные механизмы натяжения (например, ценой блок натяжения/15:1), датчики силы позволяют держать силы под контролем и избегать предельных нагрузок для материала каната. При «высоком» способе установки каната, силы предварительного натяжения не настолько велики, но, по-любому, должен осуществляться контроль пиковых значений силы при приземлении спортсмена на канат (приканатчивании).

До сих пор, спортсмены сталкивались с опасностью превышения размеров системы с многократной избыточностью. На самом деле, было мало что известно о реальных значениях сил, возникающих в системе Slackline. Для надлежащей установки системы и было принято решение установить датчик силы и провести исследования.

3. Настройка измерений

Датчик силы типа K‐25 (измерительный диапазон 20 кН) от Lorenz Messtechnik GmbH был оборудован на обеих сторонах шаровыми проушинами с резьбой M24x2 и был напрямую подсоединен к канату с использованием стандартных. Через интерфейс для датчиков типа LCV‐USB, датчик силы был напрямую подключен к персональному компьютеру (к USB-порту). В соответствии с задачей, измеренные данные сохранялись посредством прилагаемого ПО LCV‐USB‐VS и визуализировались в виде диаграммы сила/время, или отображались в виде аналогового индикатора посредством ПО Lab‐View. Для определения силы, возникающей в канате, в Lab‐View сигнал силы был наложен на сигнал синусоидальной формы, который позволил отследить относительное изменение силы в зависимости от активности спортсмена.

   

4. Измерение силы в реальном времени на тренировочных курсах

На тренировочных курсах датчик силы был установлен на канат. Благодаря этому, слушатели курсов имели возможность наблюдать силы в реальном времени в процессе всего тренировочного занятия. Особый интерес был вызван при установке датчика на канат для прыжковых упражнений, на котором очень быстро были достигнуты удивительно высокие значения силы в ~ 9 кН.
Это позволило участникам курсов лучше понять физику Slackline. На них произвели большое впечатление реальные значения силы.

5. Графики сил при различных трюках

Также, как и до этого, датчик силы был установлен непосредственно на канате (8 м) и запись кривой производилась в процессе выполнения двух разных трюков.
Сальто

Под воздействием веса спортсмена, первоначальное значение силы составляет ~ 5 кН. Раскачивание спортсмена перед прыжком хорошо прослеживается на графике. После хорошо распознаваемого прыжка, когда сила достигает пикового значения в ~ 8 кН, сила в канате уменьшается до первоначального значения предварительного натяжения каната ~ 3 кН.
Прыжок вперед

Легко распознаваемое раскачивание перед прыжком. Два очевидных пика в ~ 8,6 кН обозначают прыжок и приземление.

6. Контроль при установке «длинномерного» каната

В данном случае, 55-ти метровый канат натягивался посредством натяжного приспособления 45:1. На части этого процесса натяжения, регистрировалась сила при помощи установленного датчика силы.
На графике показано изменений силы натяжения в канате в процессе его натяжении приспособлением. Особенно интересны здесь фазы «отдыха» системы, в которых сила в системе экспоненциально снижается, что, в свою очередь, обусловлено характеристиками текстильного материала каната.

7. Результаты

Измерения, проведенные при помощи датчиков и периферийного оборудования от Lorenz Messtechnik GmbH, позволяют сделать интересные заключения. Приведенные примеры показывают, что даже в коротких канатах Slackline, со сравнительно небольшими предварительными натяжениями (< 5 кН), при прыжках и подобных трюках спортсменов могут возникать достаточно высокие силы порядка 9 кН. Некоторые производители оборудования для Slackline, предлагают комплекты с натяжными механизмами, с усилием натяжения всего 7,5 кН. Такие системы могут исчерпать предел своих возможностей всего лишь за один день эксплуатации. Современная технология измерения от Lorenz Messtechnik GmbH позволяет оптимизировать размерность используемых в Slackline материалов.
Измерения также показали, что канат Slackline ведет себя не как пружина Гука. Эффект от специфичных характеристик текстильного материала, нелинейность и гистерезис явно доминируют в динамическом поведении синтетической волоконной ленты. Новые знания, полученные в результате эксперимента, позволяют оптимизировать технологию крепления каната и материал, из которого изготовлен канат.
*

• Вперёд >