Pagrindinė irklavimo fizika

(Dalis irklavimo fizikos)

Nesenos Modifikacijos: 13DEC07 Updated design & layout.

Turinys

1. Varomoji jėga 2. Pasipriešinimas 3. Kinetinė energija 4. Masės centras 5. Greičio kitimas 6. Balansas 7. Svirtys 8. Pavaros 9. Priedas: Niutono dinamikos dėsniai

1. Varomoji jėga

Valtis greitėja veiksmo/atoveiksmio principu (Trečiasis Niutono dėsnis). Jūs judinate vandenį irklu į vieną pusę, valtis juda į kitą pusę. Pagreitis (=masė x greitis), kai įdedate į vandenį bus lygus ir priešingas valties įgytam pagreičiui. Apsvarstykime valtį prieš ir po postūmio. Prieš postūmį visiškas pagreitis yra p = 0, kadangi viskas yra ramioje būsenoje. Po postūmio pagreitis: p = mbvb - mwvw = 0, kadangi visiškas pagreitis nesikeičia (Antrasis Niutono dėsnis).

Pvz.: valčiai + įgulos masei mb = 100 kg (t.y. vienas irkluotojas) įsibėgėti iš vietos į vb = 1 m/s, reikia arba, kad  mw= 10 kg vandens padidinta iki vw = 10 m/s, arba mw = 20 kg vandens iki vw = 5 m/s, ar bet kurios kitos mw ir  vw kombinacijos, kuri leistų pagaminti mwvw = mbvb = 100 kg m/s. Esant normaliam postūmiui (t.y. kai valtis jau juda) yra mažiau akivaizdu, kad vanduo yra judinamas atgal, kad valtis galėtų judėti į priekį, kadangi irklo ašmenys “užsirakina” ten, kur yra padedami, bet, jeigu jūs pažiūrėsite į balutes, kai irklai yra iškeliami, bus aišku, kad vanduo juda. Turi būti tam tikras slydimas, kad valtis galėtų greitėti, nors, atsižvelgiant į energiją (3 skyrius), jis turėtų būti kiek galima mažesnis.

O kaip būtų, jei nustumtum upės dugną, arba serija kuolų būtų pastatyta ant upės kranto, o ne vandenyje? (Aš girdžiu, jus klausiat). Na, tokiu atveju visa planeta juda atgal ir vis tiek paslysta (kaip nustatyta labai pedantiško astronauto su neįtikėtinai tikslia matavimo įranga).

2. Pasipriešinimas

Kūnai, judantys skysčiuose, sulėtėja dėl pasipriešinimo jėgos, žinomos kaip trintis. Tai, tiesą sakant, reprezentuoja pagreičio perdavimą iš kūno į vandenį: supantys skysčiai pagreitėja, kai kūnas sukietėja, taigi, visiškas pagreitis lieka nepakitęs. Yra keletas valčių trinties rūšių:

⦁ Odos trintis, dėl trinties tarp korpuso, patenkančio į vandenį kartu su korpusu; ⦁ Formos trintis, dėl turbulencijos, atsirandančios dėl korpuso praėjimo;  ⦁ Bangos trintis, dėl energijos, prarastos sukuriant bangas.

Lengvoms lenktyninėms valtims yra neįprastai būdinga, kad Odos trintis yra pagrindinis pasipriešinimo šaltinis (apie 80%). Daugumos kitų laivų atveju dominuoja Bangų trintis. Oras taip pat prisideda prie visiškos trinties panašiais būdais (oras yra tik kitoks skystis). Ramaus oro įnašas sudaro tik kelis % vandens pasipriešinimo, o oro greitis yra daug labiau kintamesnis, taigi įnašas gali padidėti iki 10 % esant stipriam priešiniam vėjui. Odos trintis yra proporcinga greičio kvadratui, taigi atsižvelgiant į tai, kad Odos trintis dominuoja, absoliutus pasipriešinimas R gali būti užrašytas

Kur v2 yra greičio kvadratas, o a  yra pastovus dydis, priklausomai nuo sudrėkinto paviršiaus ploto ir korpuso formos (t. y. liekas toks pats duotai valčiai ir įgulai). Kad palaikyti pastovų greitį, taikoma jėga turi būti lygi pasipriešinimui, kad nebūtų jokio pagreičio ar lėtėjimo (1-as Niutono dėsnis,  iš tikrųjų, tik tam, kad būtų baigtas rinkinys). Taigi, reikalinga vidutinė jėga P (=jėga x greitis) yra

Vadinasi, norint padvigubinti valties greitį, reikia gauti 23= 8 kartų daugiau jėgos. Pasirinkus kitą kelią, jei padvigubinsite galią, jūs galėsite plaukti tik 1.26 (=21/3) kartų greičiau. Štai kodėl tvirtas irklavimo spaudimas neleidžia įgulai  daryti lengvo spaudimo taip greitai, kaip jūs tikėjotės.

3. Kinetinė Energija

Panaudojus 1 skyriaus pavyzdį, tam tikras valties greitis gali būti pasiektas, jei greitai judinate nedidelę vandens masę arba lėtai judinate didelę vandens masę, tol kol absoliutus pagreitis lieka toks pats. Tačiau atsižvelkite į bendrą kinetinę energiją U (= ½ x masės x greitį2), kuri liko sistemoje po postūmio: 

Tada du pavyzdžiai duoda skirtingus rezultatus. Jei mw=10 kg ir vw=10 m/s,

Bet jei  mw=20 kg ir  vw=5 m/s,

Ši kinetinė energija atspindi irkluotojo atliekamą mechaninį darbą, tačiau, norint pasiekti tą patį greitį, pirmuoju atveju jie turi atlikti beveik dvigubai daugiau darbo nei antruoju. Norint pasiekti tam tikrą valties greičio padidėjimą, reikia mažiau energijos, jei norite lėtai judėti dideliu vandens kiekiu, nei nedideliu vandens kiekiu judėti greitai. Tai yra pagrindinis argumentas posakyje apie irklų platgalių dydžius, kad „kuo didesnis, tuo geriau“, taip pat už tai, kad jie neišplauti.

4. Masės centras

Irkluojama valtis nėra tvirtas kūnas- jis susideda iš trijų komponentų: 1. Įgula, kuri sudaro 70-80% visos masės; 2. Korpusas (ir valtis su vairininku), sudaro 20-30% visos masės; 3. Irklai, sudaro mažiau nei 5%, kurie ignoruojami.

Visos sistemos masės centras(CM) yra masė, kurią sudaro kiekvieno komponento CM masės svertinis pozicijų vidurkis. Nors atskirų komponentų CM gali judėti vienas kito atžvilgiu, visos sistemos CM negali pakeisti savo pagreičio (ar greičio), jei nebus veikiamos išorinės jėgos (paprastai per vandenį) (vėlgi Niutono 1-asis dėsnis).

Jei įgula, masė mc, sėdi valties gale, masė mb juda greičiu vt, visiškas sistemos pagreitis yra mcvt + mbvt

Jei įgula juda laivagalyje  –vc palyginti su vt, valtis turi judinti bortus kitu santykiniu greičiu vb, kad išsaugotų pagreitį:

kas duoda

Jei įgula sudaro 80% visos masės (t.ty.mc yra 4/5 iš mc + mb), tada mc = 4mb taigi vb= 4vc. Jei įgula laivagalyje juda vc=0.2 m/s, laivo bortai judės papildomai 0.8 m/s. Įgulai atrodys, kad per 1 sekundę jie pajudėjo į priekį 1 metrą link valties laivagalio, bet iš šalies matyti, kad 80 cm to judesio buvo, kad valtis judėjo link įgulos.

Štai kodėl po postūmio valties bortai atrodo banguojantys: nors irklų ašmenys buvo ištraukti ir nebespartina visos sistemos CM, įgulos judėjimas nuo užpakalinių slenksčių pagreitina korpuso judėjimą į priekį lygiaverte ir priešinga reakcija.

5. Greičio kitimas

Galios priklausomybė nuo greičio (lygtis.2.2) yra svarbi pasekmė, kai atsižvelgiama į galią, reikalingą palaikyti vidutinį greitį. Jei įgula irkluoja 1 minutę 4 m/s, o tada  1 minutę 6 m/s, jos pilnai įveikta distancija yra 60 x 4 + 60 x 6 = 600 m. Pagal lygtį (2.2), darant prielaidą, kad a= 1 kg/m, kad būtų lengva apskaičiuoti, visiškas darbas W  (= galia x laikas) yra

o vidutinė galia per dvi minutes (= darbas / laikas) yra 140 vatų. Tarkime, kad ta pati įgula tik 2 minutes irkluoja pastoviu 5 m / s greičiu. Jie nuvažiuos tą patį atstumą kaip ir anksčiau, tačiau šįkart visa reikalinga energija yra kitokia

taigi vidutinė galia taip pat sumažėja = 125 vatai. Taigi jie sunaudojo mažiau vidutinės galios (arba mažiau energijos), kad įveiktų tą patį atstumą per tą patį laiką. Tai reiškia, kad energiškai efektyviau naudoti vienodą tempą per lenktynes (arba ant ergo), o ne, pavyzdžiui, pradėti greitai ir sulėtėti arba pradėti lėtai ir greitėti.

Kadangi odos pasipriešinimas trinčiai (2.1 lygtis) priklauso nuo korpuso greičio, o ne nuo bendro masės centro greičio, tie patys argumentai taikomi ir korpuso greičio kitimui postūmio metu (5.1 pav.).

Jei korpusas praleidžia pusę kiekvieno postūmio 4 m / s greičiu, o pusę 6 m / s greičiu, jis yra mažiau efektyvus, nei palaikant pastovų greitį 5 m / s  (gausite tiksliai tą patį atsakymą, kaip aprašyta aukščiau, jei vieną minutę padalinsite į 60 atskirų sekundžių dalių išsiskyrusių į 60 x 1 sekundės dalių kitu greičiu). Todėl taip pat nepageidautina, kad postūmio metu labai varijuotų  korpuso greitis (apibūdinama kaip bortų arba laivagalio per didelis„šuoliai“ aukštyn ir žemyn).

Laivuose su stumdomuoju takelažu irkluotojo sėdynė pritvirtinama prie korpuso, tačiau neštuvai ir takelažai yra sujungti ir laisvai slysta atgal ir į priekį ant guolių. Kai irkluotojas nešokinėja aukštyn ir žemyn, korpuso greičio kitimas per postūmį sumažėja, todėl šios valtys teoriškai yra efektyvesnės (t.y. važiuoja greičiau ta pačia galia). Kadangi šie laivai dabar yra uždrausti varžybose, teorija greičiausiai suveikė, nors nebūtinai tik dėl odos trinties argumentų (bangos trintis taip pat sumažėja).

6. Balansas 

Valtys plūduriuoja, nes žemyn nukreipta jėga dėl gravitacijos yra tiksliai suderinta su keliamąja jėga dėl plūdurumo. Gravitacija veikia taip, lyg visa masė būtų sukoncentruota viename taške, vadinamame masės centru arba svorio centru (CG). Plūdurumo jėgos taip pat veikia tarsi veikdamos viename taške, vadinamame plūdurumo centru (CB). CB sutampa su išstumto skysčio CG, kuris nėra tas pats taškas kaip paties plūduriuojančio kūno CG. 

Kai kūnas sukasi, CB juda korpuso atžvilgiu. Pavyzdžiui, 6.1 pav., kai korpusas yra vertikalus, CB yra išilgai punktyrinės linijos, bet jei korpusas yra sukamas prieš laikrodžio rodyklę (kaip parodyta paveikslėlyje), CB yra išilgai punktyrinės linijos. Vertikalių linijų (plūdurumo jėgų) susikirtimas per CB įvairiose judėjimo vietose vadinamas metacentru. Jei panardintas korpuso pavidalas turi apskritą skerspjūvį (t.y. cilindrinį korpusą), metacentras (M) yra tiesiog kreivės centre.

Ar kūnas plūduriuos vandenyje stabiliai ar nestabiliai, priklauso nuo metacentro ir svorio centro santykinių padėčių. Kairėje pavaizduotas atvejis, kai M ir CG sutampa. Bet kokiu riedėjimo kampu plūdurumo jėga visada yra tiesiai po gravitacine jėga, ir jokio grynojo apsisukimo momento nėra, todėl ji sėdės bet kokiu kampu, kur buvo pastatyta: „neutraliai stabili“. To pavyzdys yra plūduriuojantis cilindras, kuriame CG ir M sutampa su centrine ašimi. Vidurinis paveikslas iliustruoja lengvos lenktyninės valties atvejį. Povandeninis korpusas yra beveik pusapvalis (siekiant sumažinti paviršiaus plotą: tūris paslinktas tam tikram vaterlinijos pločiui), taigi metacentras yra arti vaterlinijos. Tačiau, norint pasiekti efektyvų irklavimo tempą, įgula turi sėditi keliais coliais virš vaterlinijos, taigi CG (t.y. daugiausia ekipažo) yra virš M. Jei valtis juda prieš laikrodžio rodyklę, plūdurumas toliau veikia aukštyn per M, tačiau CG žemyn veikianti gravitacijos jėga dabar pasislinko į kairę, todėl susidaro sukimosi prieš laikrodžio rodyklę momentas, kuris sustiprina judėjimą - visa sistema yra iš esmės nestabili ( jei netikite tuo, ištraukite irklus ir pažiūrėkite, kiek laiko jūs stovite vertikaliai). Dešiniajame paveikslėlyje pavaizduota CG žemiau M, todėl bet koks judėjimas prieš laikrodžio rodyklę sukelia CG judėjimą dešinėn M atžvilgiu, sukuriant judėjimo pagal laikrodžio rodyklės atkūrimo momentą, kad valtis būtų stabili. Pavyzdys yra kanoja, kai kanojininkas sėda žemai į platų korpusą. Atkreipkite dėmesį, kad stabilumą lemia tik santykinės svorio centro ir metacentro padėtys. Yra įmanoma, kad virš vandens linijos sėdintis irkluotojas gali pasiekti stabilumą naudodamas korpusą su mažesniu kreivumu (pakeliant metacentrą į didesnio skersmens apskritimo centrą - žr. 6.2 pav.). Štai kodėl treniruočių valtys yra stabilesnės nei lenktynių valtys. Trūkumas yra padidėjęs to paties poslinkio paviršiaus plotas, taigi padidėjusi trintis.

Taigi, kodėl yra lengviau subalansuoti judančią valtį? Dvi priežastys:

1. Pelekas veikia kaip efektyvesnė sklendė, kai praeina vanduo 2. Per vandenį judančių bortų forma linkusi sukurti stabilizuojančią jėgą

Žiūrėti Steve Kerr's article dėl detalių.

7. Svirtys

Fizikoje yra trys svertų rūšys, išsiskiriančios trimis įmanomais tiesiniais Atramos, Apkrovos ir Pastangų išdėstymais (skaityti iš kairės į dešinę arba iš dešinės į kairę).

1. Apkrova - Atrama - Pastanga 2. Atrama - Apkrova - Pastanga 3. Atrama - Pastanga - Apkrova

Kadangi vienintelis tikras skirtumas tarp atramos ir apkrovos yra tas, kad atrama yra apibrėžta kaip nejudantis taškas, skirtumas tarp 1 ir 2 klasės svirčių priklauso nuo jūsų orientacinio rėmo (kuris iškraipo FISA reglamentą, kad irklai turi būti 2 klasės svirtys). Irklas veikia kaip svirtis, kuri yra valties atskaitos rėme, kaip parodyta (7.1 pav.), kaip 1 klasės svirtis:

Rodyklės parodo irklo jėgas. Valties jėgos ties smeigtuku ir neštuvu) yra lygios ir priešingos jėgoms, tenkančioms irklui ties atrama ir ties rankena, paliekant grynąją jėgą L (paveikslėlyje žemiau). Vandenį veikianti varomoji jėga yra lygi ir priešinga irklo platgalio apkrovai, taip pat yra L (paveikslėlyje aukščiau). Taigi valtyje ir vandenyje esančios jėgos yra lygios ir priešingos. 

Duotai Pastangai E, Apkrovos L vertė nustatoma pagal ilgių b ir a santykį

Kadangi normaliam irklui a yra didesnis nei b, ašmeniui tenkanti jėga yra mažesnė už rankenai tenkančią jėgą. Jei tai neatrodo gera mintis, atminkite, kad atstumas, kurį ašmenys perkelia, yra atitinkamai didesnis nei rankenos perkeltas atstumas, taip kad Darbas W, atliktas bet kuriame irklo gale, apibrėžiamas kaip gautas produktas (Jėga x Atstumas), išlieka toks pats. Jei irklas perkeliamas per kampą y, atstumas, kurį perkelia rankena, yra b.y, o ašmenimis - a.y, taigi darbas atliktas kiekviename irklo gale yra: 

Išoriniam stebėtojui (pvz., FISA pareigūnui stovinčiam ant kranto) ši situacija atrodo gana skirtinga – atrodo, kad nejudanti dalis (= atrama) yra ašmenys, o ne vartai, ir suteikiama tokia 2 klasės svirtis:

Šioje konfigūracijoje apkrova taikoma kaištyje ir nustatoma pagal ilgio a + b ir ilgio a santykį:

Šiuo atveju irklas padidina jėgą, kurią veikia rankena. Tačiau, atkreipkite dėmesį, kad jėgos ir kryptys palei irklą yra tokios pačios kaip 7.1 pav. ( „atrama“ ir „apkrova“ yra tiesiog kitaip pažymėti) tam, kad jėgos valtyje ir ant vandens taip pat liktų vienodos. Tai iš tikrųjų yra bendras principas: 

Apskaičiuotos jėgos yra vienodos bet kuriuose rėmuose, judant pastoviu greičiu.

Nors treniravimo požiūriu geriau pasirinkti „nejudančių ašmenų“ rėmą (7.2 pav.) (pvz., mokyti irkluotojus valtį perkelti už irklo galo, o ne traukti ašmenis per vandenį), „judančios valties“ rėmas (7.1 pav.) turi lengvesnę matematiką, todėl mes tai naudosime aptardami pavaras kitame skyriuje. Atsakymai bus vienodi bet kuriuo atveju.

8. Pavaros

Svirties pavaros išreikštos tiesiog kaip atstumo santykis tarp apkrovos atstumo ir pastangos atstumo, kuris taip pat yra toks pat kaip apkrovos ir pastangų atstumų nuo Atramos R santykis (= (a / b)) (7.1 pav.) Šis santykis R nustato, kiek „lengvas“ (mažas R) arba „sunkus“ (didelis R) vanduo jaučiasi esant tam tikram valties greičiui. 

Deja, ašies apkrova ir pastanga netaikomos paprasčiausiai apibrėžtuose taškuose, todėl pavara paprastai yra išreiškiamas ilgiais, kuriuos galima patogiai išmatuoti.

Atstumas a paprastai nustatomas kaip irklo išorinis ilgis (8.1 pav.), matuojamas nuo ašmens smaigalio iki išorinės pusės mygtuko. Tačiau tai savo ruožtu paprastai išreiškiama atsižvelgiant į vidinį ilgį (~ 115cm), kurį lengviau išmatuoti, ir bendrą ilgį (~ 375cm), kuris (paprastai) yra fiksuotas (~ 375-115 = 260cm).

Atstumas b apytiksliai išdėstytas tarpatramiu, dar vadinamu sklaida arba T.D.(„Priekabos atstumas“), kuris valčiai, pritvirtintai prie valymo platformos, yra atstumas tarp kaiščio centro ir valties vidurio linijos (NB tarpatramių plotas irkluotojui yra apibrėžiamas kaip dvigubai didesnis, t.y. atstumas nuo kaiščio iki kaiščio). Atminkite, kad b neapibrėžiamas vidinis ilgis - daroma prielaida, kad irkluotojas efektyviai spaudžia irklą virš valties vidurio linijos, o ne rankenos gale.

Norint pakeisti tarpatramį, reikia išstumti kaištį lauk (lengviau) arba įstumti į vidų (sunkiau), bei įtakoti arkos lanko ilgio pakitimus. Smulkesnė informacija priklauso nuo takelažo konstrukcijos, tačiau paprastai tam reikalinga pagrindinė takelažo sesija.

Yra keli būdai pakeisti pavarą per išorinį ilgį. Didėjant reikiamam laiko tarpui, tai yra:

1. Uždėkite „CLAMs“ mygtukų išorėje. Tai iš tikrųjų yra papildomi užsegami mygtukai, kurie sutrumpina užbortą maždaug 1 cm, todėl palengvina pavarų dėžę.

2. Pasukite patį mygtuką irklo platgalio (lengvesnio) arba rankenos (sunkesnio) link.

3. Pakeiskite irklų ilgį. Laikydami vidų vienodą, ilgesni irklai jaučiasi sunkesni, o trumpesni irklai yra lengvesni.

4. Pakeiskite irklų platgalių dizainą. Skustuvai „Cleavers“ efektyviai prisitaiko prie apkrovos kaištyje negu „Macons“, todėl skustuvai paprastai yra keliais cm trumpesni, kad būtų užtikrintas „lygiavertis“ jausmas tam pačiam bortui ir tarpatramiui.

Norėdami rasti ekvivalentinį da pakeitimą išoriniame a, kuris nepakeis pavaros (a / b), pasikeitus db ribai b:

Kadangi a yra ~ 260 cm, b yra ~ 85 cm, (a / b) yra apie 3, kuris yra dažniausiai cituojamas koeficientas, prilyginant atstumo pokyčius ir mygtuko padėties pokyčius. Pavyzdžiui, padidinus tarpatramį 1 cm, turėtų „jaustis“ taip pat, kaip pajudinus mygtukus 3 cm atstumu. 

Priedas: Niutono dinamikos dėsniai

1. Kūnas išlieka ramybės būsenoje arba vienodame judesyje, nebent veikia išorinės jėgos. 2. Pagreičio kitimo greitis yra proporcingas pritaikytai jėgai 3. Kiekvienas veiksmas turi atoveiksmį

Original article: https://eodg.atm.ox.ac.uk/user/dudhia/rowing/physics/

Looking where to EFT Roubles? Check out Eldorado.gg offers!