Особенности строения и функциональных возможностей объекта "лыжная палка"

Функциональная структура технического объекта «лыжная палка»

Целью работы: Освоение методики углублённого изучения технического объекта с функциональной и физической точек зрения. На примере «лыжная палка».

1. Определение функции технического объекта «лыжная палка», порядок его работы, выявление объектов внешней среды с которыми он взаимодействует

Лыжная палка Е_О рассматривается как техническая объект, состоящее из 5 функциональных элементов показанных на Рис. 1,2,3. Ручка –Е₁; Темляк-Е₂; Стержень- Е₃; Лапка -Е₄; Наконечник –E₅, декомпозиции подробно показана на потоко-функциональной схеме структуры а)конкретизированной, б) астрагированой лыжной палки.

При движении лыжника основной функцией ТО лыжные палки Е_О является обеспечение движения (поддержание скорости, ускорения, равновесия, облегчение выполнения поворотов, передачу энергии плечевого пояса, поддержка при падении).

Технический объект «Лыжная палка» Е_О взаимодействует с объектами внешней среды лыжником (действующими силами )V₁, состоянием воздуха (влажности %, ветра м/сек, температурой t º C) –V₂, солнца –V₃, V₄ -снегом. Усилие от кисти руки лыжника передаётся тремя путями:

- за счет адгезии между рукой (перчаткой) и поверхностью рукоятки;

- через упор на рукоятке;

- через темляк.

Наиболее эффективной является передача энергии за счет адгезии, поскольку усилие передается строго вдоль поверхности рукоятки, по оси палки.

Передача энергии через упор на рукоятке дополняет передачу энергии за счет адгезии.

Темляк передает энергию под некоторым углом к оси рукоятки и оси палки. Этот угол зависит от точки крепления темляка, и чем ближе точка крепления к задней поверхности ручки, тем под большим углом отходит темляк от ручки. Вектор силы вдоль темляка состоит из двух частей: сила, направленная вдоль ручки (вертикальная составляющая силы ВСС) и сила направленная перпендикулярно первой (горизонтальная составляющая силы ГСС). ГСС - прямая потеря энергии, которая изгибает шахту лыжной палки. Рычаги 1и2 (Рукоятка и темляк).

Выводы:

1. Передача силы плечевого пояса лыжника (СППЛ) через систему «перчатка- поверхность ручки» при наличии адгезионных выступов (колец и полуколец) происходит по всему сечению рукоятки и вертикально.

2. Для уменьшения потерь энергии в системе «темляк - рукоятка» необходимо точку крепления темляка передвинуть максимально вперед и вверх.

3. Вес рукоятки зависит от веса остальных рычагов палки. Слишком легкая ручка усложняет управляемость палки.

Рычаг 3 шахта лыжной палки

Основная часть лыжной палки - шахта, вдоль стенок, которой передаётся сила плечевого пояса лыжника (СППЛ). Шахта под воздействием СППЛ изгибается и вибрирует, причем вибрирует четырежды. Движение палки происходит в три фазы:

- удар,

- давление, протяжка,

- толчок.

в фазе «удар» шахта сгибается и, пружиня, подпрыгивает и разгибается.

Сопротивляясь сгибанию, шахта вибрирует, то же происходит и при разгибании её. В фазе «давление» шахта вновь сгибается, вибрирует и после толчка разгибается и снова вибрирует. Следует заметить, что сгибание шахты усугубляется воздействием горизонтальной составляющей силы, возникающей в темляке.

Выводы:

1.Овальное, ромбовидное, крестообразное сечения шахты уменьшают влияние изгиба и вибрации на потери СППЛ, по сравнению с круглым.

2. Несимметричные цилиндр и конус (шахта + стержень от точки крепления темляка до донышка шахты) упрощают траекторию вертикальной составляющей силы и придают дополнительную жесткость шахте. Рычаги 3 + 4 + 5 + 6

Опора палки

Опора палки о грунт (снег), представляет из себя наиболее сложную систему лыжной палки. Состоит из четырех рычагов и трех шарниров и образует две пары систем: первая система - стенка шахты (вертикальный рычаг), проходящая через точку приложения силы ТПС и пика (тычок, зуб, гвоздь) и между ними короткий рычаг - донышко шахты. Материал, из которого изготовлено донышко шахты, пластичен, что позволяет рычагам, при определенных условиях, перемещаться друг относительно друга. Вторая система - стенка шахты (вертикальный рычаг) и лепесток (горизонтальный рычаг). Рассмотрим взаимодействие рычагов первой системы при движении лыжной палки. Для простоты рассуждений примем, что пика находится в центре донышка. Во время первой фазы движения лыжной палки « удар» рычаг- «стенка шахты» опускается вниз, увлекая за собой переднюю часть рычага «донышко». Поскольку, пика упирается в грунт, то часть донышка, в месте крепления пики, преодолевая упругость материала, поднимается вверх. Удар длится доли секунды, и, как только, воздействие на палку ослабевает, шахта пытается распрямиться и рычаги опоры занять своё исходное положение. В результате палка «подпрыгивает» вверх. И, хотя движение палки должно переходить к фазе «давление» лыжник, теряет часть энергии плечевого пояса лыжника (ЭППЛ), преодолевая дополнительное сопротивление от воздействия этих двух сил. Фазы «давление» и «толчок» тоже сопровождаются деформацией донышка, но в меньшей степени.

Энергия, которую тратит лыжник на деформацию донышка и возврат палки на грунт, это - чистые потери ЭППЛ.

2. Декомпозиция технического объекта «лыжная палка» на элементы

Рис.2 Ручки, темляки лыжных палок

Рис.3 Лапки, наконечники лыжных палок

3. Описание физических операций, реализуемых элементами технического объекта лыжная палка

Таблица 1.

4. Потоко-функционнальная структура технического объекта «лыжная палка»

а) – конкретизированная ПФС

Э₁ Э₁

5. Анализ элементов, структур технического объекта «лыжная палка» предложения по их улучшению

Сегодня большинство лидирующих фирм производят лыжные палки на основе композитных материалов и многослойной технологии.

Применение углеволокна обеспечило максимальную лёгкость и высокую жёсткость стержня. Комбинация углеволкна со стекловолокном позволила регулировать жёсткость стержня. Применение только стекловолокна снизило себестоимость, но увеличило вес. Изменение стержня повлекло за собой и изменение ручки. Она стала тоньше, легче, удобней, эргономичней, применение натуральных материалов (натуральной пробки) в структуре ручки сделало её более комфортной. Пробка отличается не только легкостью: она обеспечивает обогрев руки лыжника и идеальное с ней сцепление.

Естественно, изменился темляк. Популярность и симпатии отданы системе "капкан". Его начали применять даже в классических палках. Он прочно удерживается на запястье, позволяет лучше контролировать движение палки. Их формы разнятся довольно сильно, но одно незыблемо - широкий ремешок, охватывающий всю кисть руки Рис.7. Изменения динамики движения привело к изменению опоры. Теперь это сегменты типа "гусиная лапка", имеющие вид сильно усечённого полукольца, прочно прикреплённые к стержню в строго заданном направлении Рис.3. Аэродинамический овальный дизайн и высокое по отношению к лапке расположение центра тяжести обеспечивают максимально быстрый и лёгкий вынос лыжной палки вперёд. Наконечник опоры делают стальным или твёрдосплавным, победитовым с обратным конусом.

Рис.7. Различные типы ручек темляка лыжной палки.

Выводы из материала лабораторных работ, их анализа для улучшения технического объекта «лыжная палка» предлагаю: - использовать современные многослойные технологии, композиционные материалы, новые формы его сечения (овальные, ромбовидные, крестообразные).

- снижать вес, повышать прочность, жесткость, упругость.

- улучшать технические параметры, характеристики.

- для производства лыжной палки использовать патентованный встроенный виброгаситель разработанный Антоновым А.И. см. Приложение 1.

Всё это позволит лыжнику уменьшить потери ЭППЛ, силовые затраты на движение, повысить его мастерство, комфортность результативность.

Приложение 1

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА

ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,

ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ

(19)

RU

(11)

67881

(13)

U1

(51) МПК

A63C11/22 (2006.01)

(12) СВИДЕТЕЛЬСТВО НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

Статус: по данным на 16.04.2009 - действует

(21), (22) Заявка: 2007125754/22, 06.07.2007

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

06.07.2007

(46) Опубликовано: 10.11.2007

Адрес для переписки:

163046, г.Архангельск, ул. Логинова, 5, кв.35, А.И. Антонову

(72) Автор(ы):

Антонов Александр Иванович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Антонов Александр Иванович (RU)

(54) ЛЫЖНАЯ ПАЛКА

(57) Реферат:

Полезная модель относится к спорту, производству спортивного, охотничьего, медицинского и специального инвентаря и может быть использована при изготовлении лыжных палок. Лыжная палка содержит древко 1, выполненное с разъемом по длине, и упругий элемент в виде U-образной пружины 2, размещенной в разъеме древка 1. Пружина 2 соединена с древком 1 при помощи нарезных стаканов 3, шайб 4 и болтов 5. Техническое решение позволяет снизить вес, материалоемкость и затраты на изготовление изделия, повысить транспортабельность, расширить эксплуатационные возможности и ассортимент лыжных палок» 1 п. ф-лы; 2 ил.

Полезная модель относится к спорту, производству спортивного, охотничьего, медицинского и специального инвентаря и может быть использована при изготовлении лыжных палок.

Известна лыжная палка, содержащая древко и упругий элемент. При этом древко выполнено цельным, а упругий элемент выполнен в виде спиралеобразных пружин, размещенных внутри древка и рукоятки лыжной палки /А.с. СССР №1409303, A63С 11/22; 05.02.1985; 15.07.1988/.

Выполнение упругого элемента в виде спиралеобразных пружин, размещенных внутри древка и рукоятки, увеличивает вес лыжной палки, повышает материалоемкость и затраты на изготовление изделия, а выполнение древка цельным ограничивает эксплуатационные возможности и транспортабельность лыжной палки.

Задачей полезной модели является снижение веса, материалоемкости и затрат на изготовление изделия, повышение транспортабельности, расширение эксплуатационных возможностей и ассортимента лыжных палок.

Указанная задача решена за счет того, что в лыжной палке, содержащей древко и упругий элемент, древко выполнено с разъемом по длине, а упругий элемент выполнен в виде U-образной пружины, размещенной в разъеме древка. U-образная пружина может быть сменной, причем сменные U-образные пружины могут выполняться различающимися по упругим характеристикам. Сменными могут быть выполнены также разъемные стержневые части древка /с рукояткой и наконечником/, которые могут различаться по длине или быть одинаковыми по длине.

Полезная модель характеризуется следующей совокупностью существенных отличительных признаков: выполнение древка с разъемом по длине; выполнением упругого элемента в виде U-образной пружины, размещенной в разъеме древка.

Указанная совокупность существенных отличительных признаков позволяет снизить вес, материалоемкость и затраты на изготовление изделия, повысить транспортабельность, расширить эксплуатационные возможности и ассортимент лыжных палок.

Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена лыжная палка, общий вид; на фиг.2 - соединение U-oбразной пружины с древком лыжной палки, общий вид, совмещенный с фрагментом разреза.

Лыжная палка содержит древко 1 и упругий элемент в виде U-образной пружины 2, соединенный с древком 1, например, при помощи нарезных стаканов 3, шайб 4 и болтов 5.

Лыжную палку изготавливают из известных материалов с помощью известных методов и средств и используют известными способами.

Выполнение древка 1 с разъемом по длине позволяет расширить эксплуатационные возможности лыжной палки за счет обеспечения ее сборности и разборности. Это способствует также повышению транспортабельности лыжной палки за счет повышения ее компактности в разобранном виде.

Выполнение упругого элемента в виде U-образной пружины 2, размещенной в разъеме древка 1, позволяет снизить вес, материалоемкость и затраты на изготовление изделия за счет легкости и низкой материалоемкости U-образной пружины 2 и упрощения конструкции лыжной палки.

Наряду с этим выполнение упругого элемента в виде U-образной пружины 2, размещенной в разъеме древка 1, способствует расширению эксплуатационных возможностей и повышению эксплуатационных характеристик лыжной палки за счет использования эффекта маятника для облегчения забрасывания наконечника лыжной палки вверх при подъеме лыжника по склону /при расположении U-образных пружин концами по направлению движения лыжника/.

Заявленные существенные отличительные признаки обеспечивают также расширение ассортимента лыжных палок.

Формула полезной модели

Лыжная палка, содержащая древко и упругий элемент, отличающаяся тем, что древко выполнено с разъемом по длине, а упругий элемент выполнен в виде U-образной пружины, размещенной в разъеме древка.