Моделирование велосипедной гонки в условиях компьютеризированного велостенда

информатика

УДК 681.142.37

моделирование велосипедной гонки в условиях компьютеризированного велостенда

и. А. АБРАМОВ, С. В. ЧИСТЯКОВА, А. А. ЛОГИНОВ Пензенский государственный педагогический университет им. В. Г. Белинского кафедра информатики и методики преподавания информатики

В статье рассмотрено устройство компьютеризированного велотренажерного стенда, особенностью которого является моделирование в лабораторных условиях тренировочных режимов триатлетов, максимально приближенных к условиям реальной шоссейной велотрассы.

Непрерывно возрастающая конкуренция среди сильнейших триатлетов мира, требует постоянного совершенствования отечественной методики спортивной тренировки. При этом важное место в подготовке высококвалифицированных спортсменов занимает постоянное исследование вариантов ведения соревновательной гонки в плавании, велосипедном педалировании, преодолении беговой дистанции. Поиск путей повышения уровня спортивно-технического мастерства триатлетов привел к обоснованию различных тренировочных технологий, основанных на использовании специализированных тренажерных стендов [2], при этом подготовка триатлетов рассматривалась с позиций использования биомеханических технологий только на модели плавания и бега.

Глубокий анализ соревновательной деятельности велосипедного педалирования в условиях велогонки по шоссе даже с помощью современной измерительной аппаратуры достаточно проблематичен, устранить данное противоречие возможно в условиях специализированного велотренажерного стенда, позволяющего решать вопросы не только оценки различных сторон подготовленности, но и одновременно в лабораторных условиях осуществлять тренировочную деятельность, моделируя режимы соревновательной велогонки.

Для решения задачи моделирования режимов соревновательной велогонки на компьютеризированном ве-лостенде необходимо рассмотреть движение системы гонщик-велосипед по шоссе. При движении велосипедист, образуя с велосипедом единую систему, затрачивает энергию на преодоление сил: внутреннего сопротивления велосипеда (сопротивление на трение качения в подшипниках и цепной передачи), сопротивления колес и воздуха. Уравнение движения с учетом общей массы системы гонщик-велосипед т0 и силы аэродинамического сопротивления ¥а , приведенной к центру масс системы, имеет вид [1]

а2 х ( и м д ( , , 2 /„ , л ^

I т0 + Г2Г \=г ~ т0 81 + г С08'а^1" Р&'

где Мд - движущий момент, приложенный к ведущему колесу радиусом г и моментом инерции^ /к - коэффициент трения качения; g - ускорение свободного падения; а - угол наклона поверхности дороги к горизонтали.

Для расчета силы аэродинамического сопротивления можно использовать следующее выражение

_ СхБр 2

^ = х ^ V ,

а 2 ,

где Сх - коэффициент аэродинамического сопротивления; 5 - площадь миделя системы гонщик-велосипед; р - кинематический коэффициент вязкости воздуха; V - скорость движения системы гонщик-велосипед.

ИНФОРМАТИКА

В уравнении (1) первый член правой части характеризует силу движущего момента, создаваемого гонщиком при педалировании. Остальные члены этого уравнения выражают усилия, которые необходимо затратить гонщику на преодоление сил тяжести, трения качения и сил сопротивления воздуха. При моделировании на велостенде движения велогонщика в гору или по шоссе без наклона поверхности дороги к горизонтали с учетом сопротивления воздуха необходимо создать противодействие движущему моменту, равное

+ х ^ V 2

При педалировании на спуске гонщик использует возможность увеличения скорости за счет действия гравитационной силы. К основным силам внешнего сопротивления необходимо отнести силу аэродинамического сопротивления, силы трения качения колес по поверхности дороги. Для упрощения задачи расчета при моделировании спуска остальными силами можно пренебречь. Тогда уравнение действующих сил движения системы гонщик-велосипед при свободном спуске можно записать в следующем виде

— ^ X 2 /

—рг то = т0 g вт(а)- т0 g —^ ^(а)-

—г г

Первый член правой части уравнения (3) характеризует скатывающую силу, направленную вдоль наклонной плоскости шоссе, второй - силу трения качения, которая направлена в сторону, противоположную движению, а третий - силу аэродинамического сопротивления. При моделировании на велостанке движения велосипедиста на спуске необходимо создавать противодействие движущему моменту, равное

2 /

рс = - то g зт(а)+

т0 g

ео^ а

(а)+

которое при наклоне а > 2° и скорости передвижения V = 10 м/с может быть отрицательным. В этом случае необходимо осуществлять содействующее движению усилие (подкрутку), имитируя, таким образом, спуск.

Разработанный велотренажерный стенд выполнен на основе трехроликового велостанка и может использоваться для тренировки на любых конструкциях спортивных велосипедов. В конструкцию велотренажера введен электродвигатель постоянного тока, крутящий момент от которого посредством ременной передачи передается ролику. Электромотор в зависимости от способа подключения к электронной схеме управления работает в двух режимах: двигателя и генератора. Схема управления велотренажерного стенда представлена на рис. 1.

Рис.1. Схема управления велотренажерного стенда

Г

Г

Устройство управления велотренажерным стендом работает следующим образом. С внешнего 16-ти разрядного порта ПЭВМ на ЦАП поступает код, который затем преобразуется в напряжение, функционально связанное в зависимости от моделируемого рельефа трассы с силой Fп или , определяемых выражениями (2) и (4) соответственно. С выхода ЦАП напряжение одновременно поступает на усилитель У Ин, задающий ток возбуждения генератора, и преобразователь (неравновесное устройство с синхронизацией по частоте), управляющий скоростью вращения двигателя. Реле Р, управляемое электронным ключом ЭК, включает электромотор в режиме генератора или двигателя.

Электродвигатель, включенный в режиме генератора, преобразует механическую энергию, создаваемую велосипедистом, в электрическую. Механические усилия гонщика, затрачиваемые в момент педалирования, приводит проводники якоря электромотора в движение с некоторой скоростью V, при этом электромагнитная сила _Рэм, действующая на проводники и равная Fп, оказывает сопротивление движению велосипедиста.

В электромоторе, работающего в режиме двигателя, протекание тока в обмотке якоря обусловлено приложенным напряжением, которое поступает с преобразователя. При этом на проводники с током действует электромагнитная сила _Рэм, которая равна Fс. Сила _Рэм приводит в движение якорь со скоростью V, которая осуществляет подкрутку при движении велосипедиста.

Для моделирования сопротивления воздуха и преодоления подъема ПЭВМ через ключ ЭК управляет коммутацией электродвигателя, который начинает работать в режиме генератора. При этом ток возбуждения генератора, который задает усилитель У Ин, функционально связан с силой Fп, противодействующей движению велосипедиста. для моделирования спуска электродвигатель подключается в режиме двигателя, при этом подведенное напряжение функционально связано с величиной Fс. Для стабилизации скорости вращения электродвигателя используется тахогенератор ТГ, с выхода которого напряжение, пропорциональное скорости вращения электродвигателя, поступает в преобразователь, осуществляющий уравновешивание.

Для измерения скорости, значение которой используется в программе при вычислении аэродинамического сопротивления, в схему введен индуктивный датчик ДС, с выхода которого информация в виде импульсов поступает во внешний порт ПЭВМ, где потом преобразуется в значение скорости.

При моделировании рельефа трассы в программу вводятся данные о протяженности и наклоне поверхности дороги к горизонтали на каждом отрезке соревновательной дистанции. Эта информация используется для задания велотренажерным стендом величины сопротивления движению велосипедиста (или подкрутки). При выполнении тренировочного упражнения спортсменом на экране монитора отображается информация о рельефе трассы и месторасположение на ней занимающегося, что позволяет испытуемому своевременно подбирать передаточное соотношение при прохождении спусков, подъемов и равнинных участков. На экране монитора также отображаются графики модельной скорости прохождения трассы высоко-квалифицированными спортсменами и воспроизводимой каждым испытуемым собственной скорости преодоления моделируемой трассы, развиваемую механическую мощность, время работы, частоту педалирования.

Таким образом, условия создаваемые с помощью велотренажерного стенда позволяют максимально приблизить моделируемые режимы к условиям реальной шоссейной велотрассы, воспроизвести режимы соревновательной велогонки в триатлоне и получить существенные сдвиги различных сторон подготовленности триатлетов.

Описанный компьютеризированный велотренажерный стенд использовался на кафедре «Легкая атлетика» Пензенского государственного педагогического университета им. В. Г. Белинского в велосипедной подготовке высококвалифицированных триатлетов.

список ЛИТЕРАТУРЫ

1. Любовицкий В. П. Гоночные велосипеды Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1989. 319 с.

2. Ратов И. П., Попов Г. И. , Логинов А. А., Шмонин Б. В. Биомеханические технологии подготовки спортсменов. М.: ФиС, 2007. 120 с.