КЛАПАН ОРТОГОНАЛЬНЫЙ (ВАРИАНТЫ)
ORTHOGONAL VALVE (VERSIONS)

Предлагаемые устройства относятся к технике передвижения человека в водной, вязкой или сыпучей среде основанной на использовании его мускульной энергии и свойств ортогонального клапана и предназначены для расширения возможностей.
Клапан ортогональный можно определить как устройство, содержащее две шарнирно связанные части - поворотную, представленную пластиной (лопастью), способной совершать ограниченный ортогональный (90°) поворот относительно другой -приводной части. Если приводная часть неподвижна, представлена, например, водопроводом прямоугольной формы сечения, или его секцией, то ортогональным клапаном можно считать обратный клапан размещенный в этой секции и перекрывающий трубопровод при ортогональном повороте пластины, вызванным обратным потоком. Прямой поток переводит клапан в открытое состояние (пластина || потоку и совпадает с одной из граней, обратный - в закрытое (пластина ⊥ потоку и движения воды нет.
Если такого рода обратный клапан поместить в открытый водоем и тем или иным способом осуществить его прямые и обратные передвижения относительно воды, то получим ортогональный клапан с подвижной относительно воды приводной частью. Прямые и обратные передвижения приводной части клапана могут быть возвратно-поступательными или близкими к ним (по отсутствию вращательной составляющей). Их можно получить, с помощью связанного с приводной частью приспособления, также связанного, например, с пошаговым движением ног человека.
В таком виде клапан можно использовать для передвижения человека в воде в качестве основного или вспомогательного устройства. При этом удобнее перейти от понятий «прямой и обратный поток» к понятию «прямое и обратное передвижение» клапана, приводной части клапана. Прямым, рабочим передвижением можно считать передвижение с закрытым клапаном (пластина ⊥ передвижению) имеющее относительно большую величину лобового сопротивления или площади опорной поверхности.
Оно позволяет эффективно отталкиваться от воды. Соответственно, обратным - холостым или подготовительным передвижением можно считать передвижение с открытым клапаном (пластина || передвижению), имеющее относительно малую величину лобового сопротивления или площади опорной поверхности. Оно позволяет передвигать клапан в воде с минимальными потерями. В водной, а также в вязкой или сыпучих средах эти передвижения преобразуются в ортогональные повороты пластины
Если прямые и обратные передвижения клапана связаны с пошаговым движением ног, то определенная последовательность таких передвижений клапана может обеспечить, например, прямолинейное передвижение человека по поверхности воды - плавание в ластах или передвижение с частичным погружением - на основе ступы.
Прямые и обратные передвижения клапана в воде могут выполняться с помощью ног или/и рук человека. Соответственно имеем ножные, ручные, или комбинированные способы (варианты) передвижения человека в воде. Во всех случаях прямое передвижение формирует импульс отталкивания от воды, а обратное - позволяет человеку с минимальными потерями передвигаться в воде. Оба этих передвижения связаны с основными - закрытым или открытым состояниями клапана, а ортогональные повороты пластины определяют промежуточные переходные состояния.
Клапан ортогональный откидной. Ножные варианты.
Лыжи - поплавки ортогональные откидные.
Откидной ортогональный клапан - это простейший вариант реализации ортогонального клапана. Характеризуется свободной (с гарантированным зазором) шарнирной связью и отсутствием дополнительной связи (например, упругой) между обеими частями устройства. Вариант откидного ортогонального клапана для передвижения человека по поверхности воды на лыжах - поплавках представлен, в журнале «Моделист - Конструктор» (М. - К.) №4 1989 с.6,7,8). Он взят в качестве прототипа.
Здесь поворотную часть представляют 6 последовательно размещенных снизу на каждой из лыж и шарнирно связанных с ней откидных лопастей, а в качестве привода использованы лыжи. Они и выполняют прямые и обратные передвижения. Очевидна возможность работы таких, использующих ортогональный клапан, лыж на передвижение человека. Представляется также очевидной возможность использования этого же клапана и для работы в качестве ортогональных ласт.
Ласты ортогональные откидные (0).
Обычные ласты представляют собой «резиновые или пластиковые приспособления для увеличения скорости плавания, которые пловец надевает на ноги для увеличения опорной поверхности ступни». Эти же функции могут выполнять и предлагаемые ласты. Их основное достоинство - способность за счет ортогонального поворота «менять» - увеличивать или уменьшать соответственно передвижению, площадь опорной поверхности. Эта опорная поверхность может быть и более жесткой, например, выполненной из тонкой дюралевой пластины (лопасти).
Откидной клапан - это простейший вариант реализации ортогонального клапана. Характеризуется свободной шарнирной связью, точнее - отсутствием дополнительной связи (например, упругой) между обеими частями устройства. Применительно к трубопроводу - откидным можно считать обратный ортогональный клапан состояние которого определяется потоком, направлением потока. Работа клапана на передвижение аналогична его работе в качестве клапана обратного. В обоих случаях интерес представляют его открытое (откинутое) и закрытое состояние.
Вариант откидных ортогональных ласт (0) представлен на фиг.1, где а), б) - конструкции правой и левой частей устройства. Их основой является платформа 1. На ней размещаются элементы крепления ступни. К платформе прикреплены стойки 2. Косынки 3 усиливают конструкцию и делают ее более жесткой. К платформе снизу через прокладку 4 прикреплена неподвижная планка петли 6. 5 - шарнир. Подвижная планка петли крепится к рейке 7 выполненной из фанеры прямоугольного сечения. Рейка 7 используется в качестве ортогонального ограничителя поворота. С противоположной стороны к этой рейке непосредственно или посредством планки 8 крепится пластина 9, которая вместе с рейкой может свободно поворачиваться относительно платформы на угол 90°. На фиг.1 в) показан осуществленный поворот. Пластина может фиксироваться в закрытом положении, посредством эксцентрика 10. В таком фиксированном положении пластины - можно передвигаться в ластах по земле.
Конструкцией устройства предусмотрена возможность замены пластины ласты приемлемой по форме и размерам, имеющей одинаковые присоединительные размеры. Расположение пластины с внешней стороны ступни, исключает возможность зацепов при передвижении. Очевидна возможность использования откидных ласт для вертикальных приповерхностных и горизонтальных передвижений по вязкой или сыпучей среде. Большая площадь пластины ласты в закрытом состоянии не даст увязнуть человеку, а относительно малая площадь пластины в открытом состоянии позволит вытащить увязшую ногу и соответственно, ласту (не надо «тащить себя за волосы»). При определенной доработке конструкции, можно получить и другие варианты ласт - ступы (болотоступы, илоступы, снегоступы, пескаступы). В зависимости от среды подбираются подходящий материал, форма и размеры пластины.
В принципе, откидные ортогональные ласты можно применять как для подводных, так и для надводных (с частичным погружением человека-пловца в воду) передвижений, а также для передвижений по вязкой или сыпучей среде.
В водной среде передвижение пловца осуществляется за счет совершаемых его ногами прямых и обратных передвижений, путем поочередных «отталкивающих» движений ногами, проходящих при закрытом клапане «расширяющим» опорную поверхность ступни. Клапан «автоматически» открывается, откидывается, уменьшая опорную поверхность при проведении обратных передвижений, подготавливающих «отталкивающие». В таких ластах более удобными могут стать подводные передвижения и более скоростными горизонтальные надводные.
При этом все виды надводных передвижений удобно выполнять в комплекте со спасательными, или приспособлениями для обучения плаванию, обеспечивающими удержание верхней части туловища на поверхности воды и позволяющие сосредоточиться на отработке техники передвижения в ластах и параметров ласт. Вообще то доукомплектование ластами расширит возможности, как спасательного, так и приспособления для обучения плаванию. Человек в ластах со спасательным приспособлением сможет быстрее двигаться (плыть) в выбранном направлении, а обучение плаванию в ластах может предшествовать обычному обучению плаванию, что может ускорить процесс обучения.
B29L 31/52, А63В 31/00 - 35/12
Водоступы В63В 35/81, 83, 85
Клапан ортогональный натяжной. Ножные варианты.
Ласты с одним (1) или с двумя (2) устойчивыми состояниями.
К недостаткам ортогонального откидного клапана, используемого для работы на передвижение, следует отнести неопределенность относительного положения пластины клапана в воздушной среде на поверхности земли, возможность ее поломки в открытом состоянии, например, при выходе из воды. К недостаткам следует отнести необходимость фиксировать пластину при выполнении горизонтальных передвижений и убирать фиксацию при выполнении вертикальных передвижений.
Все эти недостатки в значительной степени устраняются использованием упругих элементов в составе откидного клапана и, соответственно, ласты. В этом случае вводится упругая дополнительная связь, которая шунтирует имеющуюся шарнирную.
В обоих случаях в качестве привода используется платформа для крепления ступни, а поворотная часть представлена пластиной. Прямое передвижение клапана связано с движением ноги «от себя». Это рабочий ход. Он требует относительно больших усилий. Но он и определяет технический эффект - увеличение скорости. Обратное передвижение связано с движением ноги «к себе». Это холостой ход.
Можно качественно рассмотреть циклограмму работы устройства? содержащую участки прямого и обратного передвижения. При этом можно ввести в рассмотрение величину R - максимальный радиус вращения пластины. При перемещении ласты на это расстояние в неподвижной среде, должен заканчиваться переходной процесс. Это - параметр перехода. Допустим, прямое передвижение начинается с того момента, когда клапан находится в закрытом состоянии. В результате такого передвижения пластина клапана переместится на расстояние в пределах длины голеностопа - L. Это участок ускоренного передвижения человека. Пусть L>R, (Допустим L≈2R). При непрерывном цикле по окончании прямого передвижения должно следовать обратное. При этом лобовое сопротивление среды и образовавшийся при прямом передвижении поток начинают перевод пластины клапана в открытое состояние. На этот перевод может уйти ≈R/L до половины L. Всю оставшуюся часть хода клапан будет открыт, а передвижение будет замедленным, вплоть до его полной остановки.
Таким образом передвижение осуществляется с переменной скоростью и можно говорить о ее среднем значении. Для поддержания средней скорости на приемлемом уровне необходимо перевести пластину клапана в рабочее положение и начать рабочий ход до момента остановки клапана. При этом, для повышения эффективности рабочего хода желательно сделать этот перевод за счет «сторонних» сил. Эффективный рабочий ход должен начинаться после закрытия пластины или из положения близкого к закрытому. Отсюда - необходимость иметь в составе ласты приспособление для перевода пластины в закрытое положение до остановки клапана.
Это можно осуществить с помощью упругих натяжных элементов входящих в состав ласты. Ортогональные ласты, с натяжным приспособлением для изменения состояния, представлены на фиг.2. Здесь в основе работы упругого приспособления лежит известная из механики - схема скатывающегося с «горки» шарика, имеющая два устойчивых состояния - в основании «горки» и одно неустойчивое - на вершине.
На фиг.2 а), б) упрощенно представлен чертеж правой натяжной ласты (2). Здесь 1 - П - образная платформа для крепления ступни, 12 элемент крепления ступни, 13 пластинки для крепления и регулировки натяжного приспособления 11,9 пластина, 6 петля, 7 рейка. Два резиновых приспособления 11 связывают платформу с пластиной ласты, симметрично размещены в начале и конце платформы, представляют собой набор резинок, например, из плетеной тесьмы, закрепленных одним концом на регулировочных пластинках 13 и прикрепленных другим концом к наиболее удаленному от оси вращения участку пластины 9. В рабочем положении на пластину ласты могут действовать несколько сил. Можно рассмотреть действие «упругих» сил.
Настройкой, заключающейся в выборе начального натяжения путем предварительного растяжения резинок, выбором их числа и места крепления на пластинке, - можно получить то или иное соответствие между натяжением и положением пластины. Соответствие, при котором пластина ласты под действием выбранного натяжения может иметь два устойчивых (закрытое и открытое) положения, можно назвать вариантом настройки натяжного приспособления на два устойчивых состояния, а ласту - ортогональной (2). На фиг.2 в) показан симметричный, вариант настройки на (2) состояния. Здесь ОА - закрытое, ОС - открытое положение пластины.
Вариант ортогональных ласт (2) показан на фиг.3. Здесь представлена левая ласта, находящаяся в закрытом 3 а) и открытом 3 б) состоянии. Здесь 1 платформа, 2 - стойка, 12 приспособление для крепления стопы к платформе, 16 силовой ортогональный ограничитель, 9 пластина, 11 натяжное приспособление, 6 петли, 7 рейка, 17 прокладка, 18 подвижная панелька переключателя, 19 неподвижная пластинка переключателя, 20 рейка, закрепленная на подвижной панельке, 21 связка, 22 кронштейн, 23 приспособление для крепления голени.
Эта ласта, по сравнению с представленной на фиг.2, дополнена «силовым ортогональным ограничителем» «закрытого» состояния. Это две прочные, например, дюралевые ограничительные рейки 16, жестко связанные с платформой 1 и стойками 2. Он предназначен компенсировать увеличение нагрузки, вызванное боковым расположением пластины, на голеностопный сустав и рейку 7.
Ласта также укомплектована приспособлением для управления положением пластины 9, представляющим собой спаренный переключатель состояний, состоящий из двух ортогональных переключателей смонтированных на торцевых участках платформы 1 и стойках 2. Переключатели состоят из подвижной части (панельки 18), способной совершать ограниченный ортогональный поворот и неподвижной (пластинки 19), ограничивающей его 90°. Переключатели также включают в себя натяжное приспособление 11, соединяющее пластину 9 с подвижной панелькой 18. На этих панельках крепятся планки 20, посредством которых обе панельки связкой 21 объединяются. Если настроить приспособление 11 на два устойчивых положения (состояния) пластины, то получится спаренный переключатель состояний, позволяющий управлять положением пластины. Подъем вверх связки 21 - и начинается переход пластины на закрытое состояние, вниз - на открытое. Так, если к концу рабочего хода, опустить связку 13 вниз то можно получить ускоритель перехода на открытое состояние, а к концу холостого хода - на закрытое.
Настройкой легко получить вариант ласт с одним устойчивым состоянием. В этом случае имеет место однозначное соответствие между величиной натяжения и положением пластины. Соответственно ласты можно назвать - ортогональными (1). Вариант ориентирован на перевод пластины в закрытое положение. Упругие элементы обеспечивают относительно небольшую по величине «упругую» силу постоянно приложенную к пластине и направленную на ее закрытие. Эта сила будет несколько подтормаживать холостой ход, но зато, до его окончании, автоматически осуществит переход пластины в закрытое положение. Величина этой силы может быть оптимизирована экспериментально. Вариант проще в настройке, управлении, и в изготовлении.
Наиболее компактным он получается при замене петель стальными цилиндрическими пружинами, навитыми хотя бы на тот же шарнир. Основное направление использования натяжных ласт (2) - устройства с переключателями состояний.
А63В 25/00 - 25/10
Ходули ортогональные
Устройство относится к технике передвижения на ходулях и предназначено расширить возможности передвижения человека по земле на ходулях возможностями передвижения в водной, вязкой или сыпучей среде. Ходули представляют собой 2 рейки (трубки) с закрепленными на них платформами для крепления ступни и приспособлениями для крепления голени. Здесь в качестве аналога взят укороченный в верхней части - вариант «до колена», оставляющий руки свободными.
Расширить возможности передвижений на ходулях можно, если перейти к вариантам ортогональных ходулей, например, укомплектовав обычные ходули соответствующими ортогональными ластами, позволяющими держаться на поверхности водной, вязкой, или сыпучей среды. Здесь появляется возможность закрепить ласты на высоте исключающей их поломку в открытом состоянии. На относительно больших глубинах - ласты можно использовать в качестве варианта динамических водоступ, позволяющих человеку не только держаться на поверхности воды, оставаясь в «полупогруженном» состоянии, но и ходить используя ортогональные водоступы.
На фиг.4 а), б) показаны левая и правая ходули в двух крайних положениях пластины откидной ласты 9. Ходули в верхней части выполнены в варианте «до колена». Здесь, помимо крепления ступни, предусмотрено крепление голени приспособлением 24. В качестве шестов взяты деревянные рейки 25 прямоугольного сечения. На закрепленные перпендикулярно им брусья 26 сверху крепится платформа 1. На брусьях снизу закреплены неподвижные планки петли 6. Подвижные планки крепятся к рейке 7. Обе планки соединены шарниром 5. К рейке снизу крепится пластина 9 ласты. При передвижении по земле пластина 9 крепится резиновым фиксатором 10 в положении соответствующем закрытому состоянию. При выполнении вертикальных передвижений в водной, вязкой или сыпучей среде фиксатор отключается. Длина нижней части ходули больше свисающей части пластины. Это для защиты пластины. Как и при отработке конструкции ласт и техники передвижения в ластах - все надводные передвижения на ходулях удобно выполнять в комплекте с приспособлением обеспечивающим удержание верхней части туловища на поверхности воды, например, спасательным жилетом или приспособлением для обучения плаванию.