CC BY
45
УДК 797.122.3:796.022:796.015.526
УСТРОЙСТВО, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ, РАСЧЁТЫ ДИНАМИЧЕСКОГО
ГРЕБНОГО «ТРЕНАЖЁР-КАНОЭ»
Л. А. Зеленин - кандидат педагогических наук, доцент кафедры физической культуры и спорта Пермский государственный университет С.П. Катаев - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической механики Пермский государственный технический университет
Пермь
В.Д. Медведков - доктор педагогических наук, профессор кафедры теории и методики единоборств Чайковский государственный институт физической культуры
Чайковский
STRUCTURE, USAGE AND CALCULATIONS OF A DYNAMIC ROWING
CANOE SIMULATOR
L.A. Zelenin - Candidate of Pedagogical sciences, associate professor
Perm State University S.P. Kataev - Candidate of physical mathematics sciences, associate professor of
theoretical mechanics department Perm State Technical University Perm
V.D. Medvedkov - Doctor of Education, professor of
Theory and methodology of martial arts, Tchaikovsky State University of Physical Education
Tchaikovsky
e-mail: kafedra_fizvos@,mail.ru
Ключевые слова: динамический, скользящий ««Тренажёр-каноэ»; техника гребли; формирование (водного) равновесия, максимально приближённого к условиям водной среды; функциональный, биомеханические параметры; моделирование.
Аннотация. На этапе начального обучения гребли на байдарках и каноэ подростков в возрасте 13-14 лет является наиболее важным и значительным, особенно трудным относится воспитание в гребле на каноэ с первой тренировки в подготовительном периоде (октябрь-апрель). Отсутствие открытой воды и зимних гребных бассейнов создаёт для обучения гребному искусству значительные трудности в достижении ускоренного мастерства. Для преодоления этих трудностей наиболее эффективным является путь создания тренажёрных устройств, моделирующие в искусственных условиях среды (снегового покрова) движения каноэ-одиночки и спортсмена гребца на воде.
Целью является ускоренное формирование специфического (водного) балансирования в сопряжённом освоении техники гребковых движений начинающих каноистов при перемещении на скользящем «Тренажёр-каноэ».
В связи с этим нами был разработан оригинальный, скользящий, не имеющий аналогов в мировом тренажёростроении, динамический «Тренажёр-каноэ», являющийся биомеханической системой, эффективно решающий задачу овладением техники гребли с одновременным формированием устойчивого равновесия.
Особенностью оригинально созданного «Тренажёр-каноэ» является то, что он, по своим основным характеристикам, по работе максимально приближён к условиям водной среды спортивного каноэ. Создание нового, более совершенного динамического тренажёра (координационно-технического) для гребцов позволит добиться повышения способностей и возможностей спортсменов в выполнении огромной целенаправленной специальной гребко-вой работы в зимний период, а также возможна идея создания нового вида спорта «Гребля на тренажёр-каноэ по снегу», и в дальнейшем позволит определиться в проведении соревнований по гребле в зимнее время. Тренируясь на сконструированном «Тренажёр-каноэ» в зимних условиях проявляющиеся функциональные и биомеханические параметры соответствуют всем характеристикам гоночной лодке каноэ-одиночке на водной среде.
Key words: dynamic, sliding "canoe simulator "; rowing technique, forming of (water) equilibrium; as approximated as possible to the conditions of water environment; functional; biome-chanicalparameters; modeling.
Summary. At the stage of initial rowing training in kayaks and canoes of teenagers at the age of 13 to 14 years old is the most important and particularly difficult it is the rowing training in canoes at the first training session during the preparatory period (which lasts from October to April). The lack of open-air waters and winter wading pools presents difficulties in accelerated rowing training. The most effective method of overcoming such difficulties is creation of training devices which model the motions of a single-oar canoe and a rower in artificial environmental conditions (snow cover).
The goal is in forming of a specific (water) equilibrium associated with mastering of rowing motions by beginner canoeists when moving in sliding "canoe simulator ".
For the aforementioned reasons we have developed an original, sliding, dynamic canoe simulator which has not any counterparts in global simulator construction. It is a biomechanical system which efficiently solves the problem of mastering the rowing techniques, forming at the same time stable equilibrium. The main feature of original canoe simulator is the highest possible proximity to conditions of water environment and a sport canoe.
Creating new and better dynamic simulator (coordination and technical) for the rowers will achieve greater capacity and potential of athletes in meeting the huge stable special rowing work in the winter period, as well as possible the idea of creating a new kind of sport "Rowing on simulator canoe through the snow, and in the future will be defined in the competitions in rowing during the winter. Training on the canoe simulator in winter conditions has all the functional and biomechanical parameters which correspond to the actual parameters of a racing single-oar canoe in the conditions of water environment.
Введение
В гребном спорте одним из важнейших начальных этапов подготовки спортсменов является подготовительный период, который длится с октября по апрель. Именно в этот период формируется общая физическая подготовка спортсмена и закладывается техника греб-ковых движений совместно со способностью удерживать специфическое (водное) равновесие во время гребли. Отсутствие открытой воды в этот период и специальных зимних гребных бассейнов создают значительные трудности в достижении упомянутых целей. Одним из возможных способов преодоления этих затруднений является создание тренажеров, которые позволили бы на суше смоделировать основные характеристики движений спортивного каноэ и спортсмена-гребца [2].
В связи с этим был разработан динамический тренажер каноэ, который можно рассматривать как биомеханическую систему, активно решающую задачу укрепления физиче-
ской подготовки с одновременным формированием техники гребли и специфического (водного) равновесия.
Рассматривая сложный динамический «Тренажер-каноэ» работающий на основе обратных связей и принципах самоуправления. Функционирование тренажера подчинено общим законам управления движениями и функциональных систем в живых организмах в биомеханических системах, открытых кибернетикой.
Проблема развития кондиционных качеств гребцов, особенно начинающих - одна из актуальнейших, так как на сегодня значительно увеличились тренировочные и соревновательные нагрузки. Процесс воспитания кондиционных качеств гребцов - это наиболее сложный процесс, при котором происходит явление взаимодействия, а также конкуренция в развитии физических качеств.
Специфика гребного спорта состоит в передаче напряжения через биомеханическую систему «Тренажер-каноэ». Созданный оригинальный динамический педагогический «Тренажер-каноэ» активно стимулирует тренировочный процесс в подготовительном периоде, способствует повышению уровня кондиционных качеств гребцов о необходимости которого заинтересованы все (спортсмен, тренер-преподаватель и другие спортивные лица) в использовании его, в тренировочном процессе позволяющий максимально приблизить техническую подготовку гребли с формированием водного равновесия на суше к реалиям координационной деятельности в лодке на воде. Сконструированный нами «Тренажер-каноэ» максимально соответствует повышению степени взаимодействия с водой. Применение целевого подхода в тренировочном процессе с использованием «Тренажер-каноэ» на сегодня является одним из эффективных путей решения проблемы и способствует более целенаправленному накоплению опыта в проявлении тактических и стратегических задач, эффективнее контролировать процесс тренировки гребцов.
Цель исследования
В условиях эффективности, целенаправленности и рационализации учебно-тренировочного процесса на этапе начального обучения юных каноистов мы сконструировали тренажёрное устройство не имеющих аналогов в мировом тренажёростроении, которое активно и эффективно в сопряжённом воздействии закладывает основы формирования системы специфического равновесия с одновременным овладением техники гребковых движений [2].
Поставленная задача решается путём применения устройства для тренировок функции равновесия начинающих каноистов с одновременным освоением техники гребли. Особенностью сконструированного тренажёра является то, что он в условиях зимы скользит по асфальтовой пешеходной снеговой дорожке или лыжероллерной трассе активно стимулирует формирование специфического равновесия гребли на каноэ, развивает координационные и двигательные качества и эффективно совершенствует сенсорные системы организма.
-ё> <4
Разработанный нами тренажёр в ежедневном тренировочном процессе в условиях зимы на начальном этапе психологически настраивает занимающихся на морально-волевой настрой с уверенностью в своих силах в освоении выполнения техники гребли в сопряжённом формировании специфического равновесия. (Рис. 1).
И
Рис. 2. Тренажёр-каноэ, вид снизу в перевернутом виде
Тренажёрное устройство состоит из следующих составляющих, которые мы представляем:
1. Длина тренажёра - 2090 мм.
2. Ширина тренажёра - 450 мм.
3. Высота тренажёра - 180 мм.
4. Полик (слань) тренажёра - 1775 мм.
5. Толщина полика (слани) - 0,1 мм.
6. Подушка под колено.
7. Весло-каноэ.
8. Ручка-каноэ.
9. Цевьё.
10. Четыре вилообразных зубья, заострённые на концах и вонзающиеся в плотные слои снега или льда.
11. К верхней части полуопор прикреплены дюралевые трубы 0 28 мм являющиеся при гребле правым и левым бортом.
12. Основные скользящие опорные полозья, состоящие из стальных труб 0 32 мм и имеющие расстояние между ними 100 мм.
13. Передняя и задняя части тренажёра состоящие из двух основных скользящих труб 0 32 мм и находящиеся на 30 мм выше их основной скользящей поверхности расположены 2-е скользящие пары опоры тренажёра являющиеся первой обратной связью, при наклоне на правый или левый бок принимают участие в удержании равновесия.
14. Четыре вогнутые во внутрь полуопоры шириной 25-30 мм толщиной 2,5 мм пластины, на которые приварены основные скользящие полозья.
15. К верхней части полозьев кормы тренажёра приварена железная пластина длиной 320 мм, в которой с правой и левой стороны просверлены по 8 отверстий 0 6 мм и к ним на болтах на равном расстоянии прикручены мини-лыжи, состоящие из трубок длиной 140 мм, 0 28 мм вогнутые спереди вверх, создающие опорное скольжение.
16. Вес «Тренажёр-каноэ» 16 кг.
Обучение выполнения техники гребли с одновременным формированием специфического равновесия на тренажёре соответствуют по биомеханическим параметрам (амплитуде, темпу, приложения усилий на весло и визуальному выполнению техники гребли на воде), физиологическим показателям (ЧД- частота дыхания, ЧСС- частота сердечных сокращений, САД- систолическое артериальное давление, ДАД- диастолическое артериальное давление) и психологический настрой.
Расчеты параметров движения тренажера
Сконструированный скользящий «Тренажер-каноэ» вместе с находящимся на нём спортсменом является биомеханической системой, в которой одна часть (корпус спортсмена с веслом) перемещается относительно другой (самого тренажера). Кроме того, вся единая система движется по трассе, то есть относительно неподвижной системы отсчета.
Во время подготовки к гребку корпус спортсмена совместно с веслом-имитатором движется вперед по ходу движения «Тренажер-каноэ». При этом движущая сила, толкающая «Тренажер-каноэ» вперед, отсутствует, и на систему действуют только силы сопротивления воздуха и сила трения полозьев тренажера о снег или лед (рис. 3а).
Во время гребка корпус спортсмена вместе с веслом движется назад, при этом взаимодействие весла с неподвижной поверхностью создает движущую силу, толкающую тренажер вперед (рис. 3б). Силы сопротивления воздуха и трения действуют на систему постоянно при условии, что тренажер со спортсменом находятся в движении.
В силу сказанного, для описания поведения тренажера вместе с находящимся в нем гребцом следует применить дифференциальное уравнение движения центра масс системы [1], которое в векторной форме можно записать в виде
dvn - - - -m—с = F + Fc + N + P, (1)
dt
где m - масса системы, равная сумме массы тренажера mл и массы спортсмена mсп; F - движущая сила, толкающая тренажер вперед; Fc - главный вектор сил сопротивления и
трения; N - нормальная реакция поверхности, по которой движется тренажер, P - сила тяжести. Уравнение (1) справедливо для любого момента времени, но следует учитывать, что в
фазе подготовки к гребку движущая сила F равна нулю и возникает лишь в фазе гребка.
Обозначим через V абсолютную скорость тренажера (его скорость относительно неподвижной поверхности, по которой он движется), а через u - относительную скорость корпуса гребца с веслом (скорость относительно корпуса тренажера). Тогда
= ту + тпап (у + и). (2)
Подставив выражение (2) в уравнение (1), получим дифференциальное уравнение движения корпуса тренажера
/ ч dV - - - - dй
(т + т )-= F + ^ + N + Р - т —. (3)
1 л сп) <к с сп <к
Будем считать, что движение тренажера прямолинейно и происходит в горизонтальной плоскости. Выберем систему координат Оху так, что ось х направлена в сторону движения тренажера, ось у - вертикально вверх, а начало отсчета О выберем в месте старта. Также предположим, что в относительном движении корпус гребца движется практически горизон-
/ . , _
а б
Рис. 3. Движение тренажера и гребца
тально, и пренебрежем вертикальной составляющей й у его относительной скорости. Так как предполагается, что движение тренажера происходит в горизонтальной плоскости, то и
Vy = 0 . Обозначив через V и u проекции векторов V и u на ось x, запишем уравнение (3) в проекциях на оси x и у. Будем иметь:
dV F Fc m du
-=------——, m = тл + mcn,
dt m m m dt
0 = N - P.
(4)
В силу сделанных предположений относительно скорости и , из второго из уравнений (4) сразу следует: N = Р. Учитывая, что скорость движения тренажера и площадь миделе-вого сечения гребца с тренажером не велики, силой сопротивления воздуха можно пренебречь и учесть только силу трения полозьев тренажера о поверхность. Обозначая через / коэффициент трения скольжения, и учитывая второе равенство (4), можем записать:
Е = N = ¿Р = №. (5)
Обозначим через Т длительность фазы гребка, т.е. время от соприкосновения весла с поверхностью до выхода из соприкосновения, а через Т1 - длительность фазы подготовки гребка, т. е. время от выхода весла из соприкосновения с поверхностью до следующего соприкосновения после переноса вперед. Далее, пусть / - номер гребка (/ = 1,2,3,...), t0j -
а
б
F
-г-
>
t
t
Рис. 4. Движущая сила
момент времени начала /-того гребка, ^ - момент времени окончания /-того гребка. В силу введенных обозначений, получим
^ = (/ —1)(т+ Т), ^ = /Т + (/ — 1)т. (6)
Легко проверить, что ^ — ^ = Т, а ^^ — = Т1. Таким образом интервал времени
, t1i) - это длительность /-того гребка, а , ^^^) - длительность фазы подготовки к (/ +1)-ому гребку.
Что касается движущей силы Е, то в фазе гребка её можно считать постоянной (рис. 4а). В действительности, конечно, эта сила быстро возрастает от нуля в момент начала контакта весла с поверхностью, затем остается приблизительно постоянной, и быстро убывает до нуля в момент выхода весла из контакта с поверхностью (рис. 46). Но эти изменения величины движущей силы происходят в течении очень малых промежутков времени, следовательно, мало влияют на характер движения тренажера.
Предположим, далее, что относительная скорость и корпуса гребца изменяется по синусоидальному закону, обращаясь в нуль в начале и в конце фазы движения, и достигая максимума в середине фазы (рис. 5). Учитывая, что в фазе гребка корпус спортсмена вместе с веслом движется против направления движения тренажера, можем записать
u
-a sin
f ТГ Л
p í \
-(t - t0i) V t
при t0i £ t £ tli,
(7)
где а - некоторая постоянная величина, равная (по модулю) максимальной относительной скорости корпуса гребца.
Аналогично, учитывая, что в фазе подготовки к гребку корпус спортсмена движется в сторону движения тренажера, запишем
u = b sin
f \
p / \ -(t - t1i)
Vt
при tli £ t £ to(i
0(i+1);
(8)
где Ь - также некоторая константа, равная максимальной относительной скорости корпуса спортсмена, причем она может быть не равна величине а в формуле (7), ибо корпус спортсмена может двигаться с разными относительными скоростями в фазах гребка и подготовки к гребку.
Таким образом, в силу сделанных предположений, первое уравнение (4) можно записать в следующем виде:
- в фазах гребка, при £ ^ £
dV F_ m
fg +
mpa
dt m mt
- в фазах подготовки к гребку, при t, < t < t(
cos
p
V
t
(t - t0i)
1i ^ ^ -0(i+1) Pb
сп
dV m pb
— = - fg---— cos
dt mt
p
Vt
(t - t1i)
(9)
(10)
При сделанных относительно силы Е и относительной скорости и предположениях уравнения (9) и (10) легко интегрируются. Для уравнения (9) начальное значение скорости
будет У0. = V(¿0;.), при этом будем считать, что У01 = V(0) = 0, т.е. тренажер начинает движение из состояния покоя. Уравнение (10) следует интегрировать при начальном условии Vh = V (^ ), которое находится следующим образом: интегрируем уравнение (9) на интервале (, ) , затем вычисляем значение V (^ ) - это и будет начальным значением для уравнения (10). Интегрируя уравнение (10) на интервале (^, ) , затем вычисляем значение V (t0(ij+1)), которое будет начальным значением скорости для уравнения (9) на следую-
\ /\ \ t
W \J_ w _
Рис. 5. Относительная скорость гребца
щей фазе гребка. Далее эта процедура повторяется.
Итак, в силу выше изложенного, обозначая через V1 скорость тренажера в фазе гребка
и через V2 - в фазе подготовки к гребку, можем записать:
- на интервалах времени £ ^ £ ^
u
u
u
V (t ) = к, + - (t - t0l)-fg (t - tQl) +
m
m a
сп
m
Sin
f TT л
p t \ -(t - t0i ) V t
- на интервалах времени t0l < t < t{
0(l+1)
V2 (t ) = Vi - fg (t - tii )■
m b
сп
m
sin
p / \ -(t - tii)
(ll)
(12)
Результаты расчетов и их обсуждение
При проведении расчетов примем следующие исходные данные. Масса корпуса тренажера приблизительно равна масса каноэ одиночки, т.е. тл = 16 кг. Массу спортсмена возьмём равной 80 кг. Однако следует учесть, что в движении относительно корпуса тренажера участвует не всё тело спортсмена: движением ног относительно тренажера можно пренеб-
0123456789 10
1 Время, с
Рис. 6. Поведение скорости V тренажера при гребле
речь. В движении с достаточно большой относительной скоростью, следовательно, находится верхняя часть туловища и руки гребца с веслом. На основании этих соображений примем тсп = 60 кг, а оставшиеся 20 кг отнесём к массе тренажера, таким образом, тл = 36 кг.
Что касается коэффициента трения скольжения / то, как известно, он зависит от многих факторов и, строго говоря, требует экспериментального определения в каждом конкретном случае. Для приближенных расчетов, учитывая, что полозья тренажера стальные, а движение будет происходить по снегу или по льду, примем, согласно [3], / = 0,015.
Поскольку тренажер в первую очередь предназначен для обучения начинающих спортсменов, то темп гребли не должен быть очень большим, следовательно, возьмем т = 2 с, а Т} = 1,5 с. Величины же а и Ь в выражениях (7) и (8) примем равными а = 0,7 м/с, Ь = 0,8 м/с.
При назначении величины движущей силы Е учтем, что сначала нужно разогнать тренажер, следовательно, следует приложить большие усилия, а после разгона можно только поддерживать достигнутую скорость - для этого достаточно прикладывать меньшие усилия. Поэтому возьмем для 1-ого, 2-ого, 3-его и 4-ого гребков следующую последовательность величин: Е = 200; 150; 100; 80 Н. Далее величину Е считаем постоянной и равной 80 Н.
Для выбранных выше исходных данных результаты расчетов по формулам (11), (12) приведены на рис. 6. Видно, что в фазе гребка скорость тренажера возрастает, причем тем сильнее, чем больше модуль силы Е. В фазе же подготовки к гребку за счет действия только силы трения, а также за счет относительного движения корпуса гребца в направлении движения тренажера скорость тренажера несколько уменьшается. Степень уменьшения скорости зависит от длительности т} фазы подготовки, коэффициента трения/и величины Ь в выражении (8).
Характер движения тренажера, показанный на рис. 6, соответствует графику движения лодки по воде, приводимому в работе [5]. Следует только учесть, что в работе [5] приве-
дены графики движения академической лодки, а в этом случае направления относительного движения корпусов гребцов прямо противоположны направлениям движения каноистов. Поэтому на рисунках, приводимых в [5], графики в фазе гребка имеют выпуклость вниз, а в фазе подготовки - вверх.
Изменение поведения в движении тренажера в зависимости от изменения рассмотренных выше исходных данных легко проследить с помощью выражений (11), (12), поэтому здесь не приводятся графики скорости при измененных исходных данных.
Выводы
Приведенные расчеты показывают, что характер движения тренажера по поверхности снега, или льда, полностью соответствует движения спортивной лодки-каноэ на воде. Поэтому рекомендуем использовать тренажер на этапах начальной, учебно-тренировочной подготовки и групп спортивного совершенствования гребцов для тренировки техники гребли и способности сохранять равновесие во время движения на «Тренажёр-каноэ», который положительно переносит устойчивость положения тела (специфическое (водное) равновесие) непосредственно на открытую воду для занятий на каноэ, а также позволяет сохранять это равновесие в зимнем периоде в учебно-тренировочных группах и спортивного совершенствования.
1) Тренажёр позволяет активно формировать у начинающих каноистов специфическое (водное) равновесие с одновременным освоением техники гребли каноистов;
2) Наиболее существенным признаком созданного тренажёра является искусственность управляемой среды [4] направленной на формирование необходимых знаний, навыков умений, по биомеханической структуре двигательного действия и качеств юных гребцов;
3) Необходимость повышения эффективности занятий;
4) Доступность для лиц разного возраста, пола и физической подготовленности;
5) Способствовать возможности контроля и самоконтроля;
6) Проявлять надёжность и быть удобными в эксплуатации;
7) Имеет невысокую стоимость, малый вес и габариты;
8) Гарантировать в эксплуатации техническую безопасность.
Литература
1. Бухгольц, Н.Н. Основной курс теоретической механики / Н.Н. Бухгольц.- М. : Наука, 1969. - Ч. II.
- 332 с.
2. Зеленин, Л. А. Повышение равновесия начинающих каноистов-новичков с использованием специальных физических упражнений и тренажёра : дис. ... канд. пед. наук / Л. А. Зеленин. - Чайковский, 2004. 198 с.
3. Кухлинг, Х. Справочник по физике / Х. Кухлинг. - пер. с нем. - М. : Мир, 1982. - 520 с.
4. Ратов, И.П. Методология концепции «искусственная управляющая среда» и перспективы её практической реализации в процессе подготовки спортсменов / И.П. Ратов // Методологические проблемы совершенствования системы спортивной подготовки квалифицированных спортсменов : сб. трудов / под ред. В.В. Кузнецова. - М., 1984. - С. 127-145.
5. Caplan, N. Modeling the Influence of Crew Movement on Boat Velocity Fluctuations during the Rowing Stroke // Nicholas Caplan, Trevor Gardner / International Journal of Sports Science and Engineering. - V. 01(2007). -№ 03. - P. 165-176.
Literature
1. Buhgolz, N.N. Basic Course of Theoretical Mechanics / N.N. Buhgolz. - M. : Nauka, 1969. - Ch. P. -
332 p.
2. Zelenin, L.A. Improvement of Beginner Canoeists' Equilibrium by Means of Using Special Physical Exercises and Simulator : thesis of Candidate of Pedagogical sciences / L.A. Zelenin. - Tchaikovsky, 2004. 198 p.
3. Kukhling, H. Physics Manual / H. Kuchling. - translated from German. - M. : Mir, 1982. - 520 p.
4. Ratov, I.P. Methodology of "Artificial Control Environment" Concept and Prospects of Its Practical Realization during the Process of Sportsmen Training / I.P. Ratov // Methodological Problems of Improving the System of Qualified Sportsmen Training : collected articles / edited by V.V. Kuznetsov. - M., 1984. - P. 127-145
6. Caplan, N. Modeling the Influence of Crew Movement on Boat Velocity Fluctuations during the Rowing Stroke // Nicholas Caplan, Trevor Gardner / International Journal of Sports Science and Engineering. - V. 01(2007). -No. 03. - P. 165-176.
Статья поступила в редакцию 29.06.2010 г.
