CC BY
26
УДК 796.6
БИОМЕХАНИКА ТОРМОЖЕНИЯ ПЕРЕДНИМ ТОРМОЗОМ В ВЕЛОСПОРТЕ (КРОСС-КАНТРИ)
A.A. Померанцев, В.Б. Шкляров, O.A. Шкатов
Выявлены пути оптимизации процесса торможения передним тормозом с позиций механики и биомеханики с применением расчетно-графического метода, основанного на фотограмметрии.
Ключевые слова: биомеханика велоспорта, биомеханика торможения, велоспорт, передний тормоз.
Анализируя литературные источники по теме исследования, мы убедились, что существует большое количество работ, посвященных сравнению различных тормозных систем, эволюции тормозных механизмов, технике велоспорта, но, в тоже время отсутствует четкое изложение самого процесса торможения передним тормозом с позиций биомеханики.
Целью нашего исследования было выявить пути оптимизации процесса торможения передним тормозом с позиций механики и биомеханики.
В исследовании принимала участие одна велосипедистка, обучающаяся в Институте физической культуры и спорта Липецкого государственного педагогического университета им П.П. Семенова-Тян-Шанского.
Для решения поставленных задач нами бы использован расчетно-графический метод, основанный на фотограмметрии [3].
Для регистрации положения тела велосипедиста в пространстве использовался фотоаппарат Fujifilm с разрешением 16 Мп, f=5-25 mm.
Всего в целях проведения исследования было сделано 25 фотокадров при различных уклонах дороги и положениях тела.
Для выполнения биомеханического анализа фотографий нами была использована специализированная компьютерная программа биомеханического анализа Kinovea.
Определение центров масс сегментов тела осуществлялось с использованием программы Excel. Основываясь на данных, приведенных в работе [1] в расчеты вводились коэффициенты расположения центра масс относительно проксимального и дистального концов звена и определялся центр масс сегментов тела. Далее, определялись координаты центра масс спортсменки в зависимости от взаимного расположения звеньев тела и их относительного веса. После определения общего центра масс спортсменки и общего центра масс велосипеда, определялся общий центр масс биомеханической велосистемы.
Результаты исследования и их обсуждение. Первоначально была рассмотрена устойчивость биомеханической велосистемы с позиций статики.
Если велосипедную систему, моделируя ситуацию торможения передним тормозом, повернуть вокруг точки О, так чтобы сила тяжести Q проходила слева от этой точки, то эта сила создает новый момент относительно точки О, который стремиться возвратить тело в прежнее положения равновесия. Во всех схожих положениях состояние велосистемы следует рассматривать как устойчивое. Когда велосистема займет положение, при котором сила тяжести будет проходить через точку О, момент действия силы будет равен нулю. В этом случае велосистема с одинаковой вероятностью может либо вернуться в первоначальное положение, либо опрокинуться через руль. Такое положение велосистемы будет относиться к положению неустойчивого равновесия.
Используя оптико-электронные методы регистрации параметров движения и программный продукт Ктоуеа, был рассчитан критический угол устойчивости велосистемы с позиций статики. Как показано на рис. 1 угол а=38°. Этот угол показывает величину отклонения велосистемы для того, чтобы перевести её из устойчивого положения в неустойчивое (при заблокированном переднем колесе).
Рис. 1. Оптико-электронный способ определения критического угла устойчивости биомеханической велосистемы с позиций статики
Как известно из законов механики, устойчивость любой системы повышается с увеличением площади опоры и понижением центра тяжести. Исходя из этого постулата, повлиять на устойчивость велосипеда при торможении передним тормозов возможно путем:
а) изменения положения тела велосипедиста (посадки) путём снижения центра тяжести;
б) изменением конструкции самого велосипеда: увеличением расстояния между колесами, смещением подсидельного штыря ближе к заднему колесу, утяжеление конструкции велосипеда;
в) индивидуальной настройкой велосипеда: снижение положения сиденья.
Критическую силу, которую необходимо приложить для опрокидывания системы, возможно рассчитать по теореме Вариньона (рис. 2). В рассматриваемой велосистеме образуется два момента сил при прохождении через точку О, а сумма моментов равна нулю: @1-Рк=0. Таким образом, критическая сила Я, равна:
Я = 2*- (1)
Н
где Q - сила тяжести; 1 - плечо силы тяжести: И - плечо опрокидывающей силы.
Рис. 2. Оптико-электронный способ расчета опрокидывающего момента и критической силы с позиций статики
Принимая во внимание, что масса спортсменки ш8 = 62 кг, а масса велосипеда шь= 16 кг, значения силы тяжести составляет 78 кг*9,81 Н/м2 = 765,2 Н. Критическая сила по (1) равна:
765,2 Н *0,645 м „ ._ _ . _,
Я = —:-:-=470,3 Н или 47,94 кГ
1,0495 м
В работе также был выполнен анализ устойчивости велосистемы при торможении передним тормозом с позиций динамики. В велоспорте, как и в большинстве других видов спорта, большое значение имеет сила трения.
Значение трения качения в кросс-кантри еще большее, чем в других дисциплинах, так как поверхность, по которой катится велосипед, никогда не является абсолютно твёрдой и ровной. При взаимодействии колеса с поверхностью деформируется как само колесо, так и основание.
Критическая сила для преодоления трения качения Р определяется по формуле:
Р = К-<1, (2)
где к - коэффициент трения качения; г - высота приложения силы тяги; Р - величина нагрузки на грунт.
Значения коэффициентов сил трения качения велосипедного колеса
К
/ = - варьируется от 0,006 для асфальта до 0,2 при езде по
утрамбованному снегу [2].
Получается, для того чтобы преодолевать трение качения при движении по естественному грунту (1=0.02) к рассматриваемой биомеханической велосистеме, согласно (2), необходимо приложить: Р = А^ = 0,02 х (16 кг + 62 кг) = 1,56 кГ (15,3 Н).
При рассмотрении полученного результата, важно не забывать, что в формуле не учитывается аэродинамическое сопротивление, которое возрастает пропорционально квадрату скорости; также не учитывается уклон поверхности и давление в шинах [4]. Данная сила проявляется при равномерном движении с малой скоростью.
Таким образом, видно, что реальное значение силы трения качения в 30,7 раз меньше критической (470,3 Н /15,3 Н = 30,7), даже при условии опоры только на переднее колесо.
Вместе с тем, следует помнить, что сила трения качения создает два момента силы: момент силы на переднем колесе способствует опрокидыванию, а момент силы на заднем колесе создает прижимную силу, напротив, препятствующую опрокидыванию. При равном распределении нагрузки, два момента сил трения качения, возникающих на переднем и заднем колесах, уравновешиваются.
Рассмотрим варианты торможения на различной поверхности. Как качество, так и время торможения зависит от коэффициента трения с дорогой. В зависимости от трассы возможны варианты управляемого торможения и торможения с полностью заблокированными колесами (неконтролируемое торможение юзом). Характер торможения определяется поверхностью дороги.
Для того чтобы рассчитать характер торможения, достаточно обратиться к теореме о количестве движения материальной точке, согласно которой:
туг — ту0 = С2 F(t)dt, (3)
где ш - масса биомеханической велосистемы; VI, Уо — начальная и конечная скорость; ^ - моменты времени начала и окончания приложения силы; Б - действующая сила.
Сила трения, согласно закону Кулона определяется:
Ятр= Ш, (4)
где Г - коэффициент трения; М- давление по нормали к поверхности скольжения.
Зная эти формулы (3, 4) можно рассчитать, какой коэффициент трения должен быть при сцеплении с дорогой, либо какая скорость максимально допустима, чтобы избежать торможения юзом. Увеличение скорости или уменьшение коэффициента трения качения будет вести к торможению юзом.
Вместе с характером торможения меняется и биомеханизм торможения. При торможении юзом увеличивается плечо действия силы. При заблокированном колесе ось вращения велосистемы совпадает с нижней точкой колеса, при управляемом торможении - с осью колеса. В нашем случае, плечо опрокидывающего момента увеличивается в —1,5 раза (101,23 см/69,07 см).
Рассмотрим влияние уклона на биомеханизм торможения передним тормозом. При всех прочих равных факторах вес велосипедиста распределяется в равной пропорции между передним и задним колесами. При сохранении исходной позы проекция центра тяжести смещается пропорционально углу уклона в сторону колеса, расположенного ниже. Таким образом, сцепление с дорогой и сила трения двух колес становится непропорциональной. По этой причине наиболее опасным является торможении на склоне при движении вниз, так как эффективность торможения задним тормозом снижается.
Наиболее эффективное торможение передним тормозом возможно при перераспределении нагрузки (веса) на колеса за счет изменения положения тела на велосипеде (рис. 3).
Согласно оптико-электронному анализу, представленному на рис. 3, распределение нагрузки биомеханической велосипедной системы происходит обратно пропорционально отрезкам отсекаемым проекцией ОЦТ на горизонтали, то есть в рассматриваемом случае 33,42 см / 73,59 см или 0,31 / 0,69 в долях единицы. Перемножив массу системы 78 кг на показатели пропорции, получаем, что нагрузка на переднее колесо составляет -24,2 кг, а на заднее колесо -53,8 кг. Пропорционально изменяется эффективность торможения передним и задним тормозом. Как видно из рис. 3 плечо действия силы тяжести относительно точки опоры переднего колеса при смещении центра тяжести назад увеличилось с 64,50 см до 73,59 см, то есть в 1,15 раза.
Рис. 3. Смещение проекции центра тяжести при изменении положения тела
При движении под горку смещение центра тяжести ближе к заднему колесу способно существенно снизить риск травматизма за счет опрокидывания велосипеда. Данный биомеханизм торможения включает в себя несколько эффектов:
1) увеличение плеча силы тяжести, стабилизирующей велосипед;
2) повышение эффективности торможения задним тормозом;
3) разгрузка переднего колеса и уменьшения опрокидывающего момента;
4) увеличение нагрузки на заднее колесо и увеличение «прижимного» момента.
Список литературы
1. Зациорский В.М., Аруин А.С., Селуянов В.Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. М.: Физкультура и спорт, 1981. 143 с.
2. Петров В.А., Гагин Ю.А. Механика спортивных движений. М.: Физкультура и спорт, 1974. 232 с.
3. Померанцев А.А. Исследования по спортивной биомеханике с применением оптико-электронных методов регистрации параметров движения: монография. Липецк: ЛГПУ им. П.П. Семенова-Тян-Шанского, 2018. 233 с.
4. Селуянов В.Н., Яковлев Б.А. Влияние угла наклона дороги и телосложения спортсмена на скорость езды на велосипеде // Механико-математическое моделирование спортивной техники: тезисы докл. Всесоюз. науч.. конф. М., 1982. 42 с.
Померанцев Андрей Александрович, канд. пед. наук, доц., Idclipetskamail.ru. Липецкий государственный педагогический университет им. П.П. Семенова-Тян-Шанского,
Шкляров Владимир Борисович, канд. пед. наук, доц.,, shklyarovvb alspu-lipetsk.ru. Липецкий государственный педагогический университет им. П.П. Семенова-Тян-Шанского,
Шкатов Олег Анатольевич, старший преподаватель, shkatov oa alspii-lipetsk.ru. Липецкий государственный педагогический университет им. П.П. Семенова-Тян-Шанского
BIOMECHANICS OF FRONT BRAKING IN CYCLING (CROSS-COUNTRY) A.A. Pomerantcev, V.B. Shklyarov, O.A. Shkatov
Identified ways to optimize the process of braking thefront brakefrom the standpoint of mechanics and biomechanics using the calculation and graphic method based on photogrammetry.
Key words: cycling biomechanics, biomechanics of braking, cycling, front brake.
Pomerantcev Andrey Alexandrovich, candidate of pedagogical sciences, associate professor, Idclipetsk a mail.ru. Russia, Lipetsk, Lipetsk State Pedagogical P. Semenov-Tyan-Shansky University,
Shklyarov Vladimir Borisovich, candidate of pedagogical sciences, associate professor, shklyarovvb alspu-hpelsk.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Pedagogical P. Semenov-Tyan-Shansky University,
Shkatov Oleg Anatol'evich, senior lecturer, shkatov oaajspii-lipetsk.ru, Russia, Lipetsk, Lipetsk State Pedagogical P. Semenov-Tyan-Shansky University
