СПОСОБ ПОДБОРА ЗОНЫ СМАЗКИ СПОРТИВНОГО ИНВЕНТАРЯ
METHOD TO SELECT SPORTS INVENTORY LUBRICATION AREA

Изобретение относится к области спортивного инвентаря и может быть использовано при подборе оптимальной зоны смазки инвентаря в таких видах спорта, как лыжные гонки.
Наиболее трудоемким и во многих случаях трудно предсказуемым является подбор инвентаря, штайншлифта, смазки и зон смазки в лыжных гонках, биатлоне и других беговых лыжных видах спорта. Это происходит из-за очень большого количества факторов, влияющих на скольжение, большого количества их сочетаний и разной их значимости в реальных погодных условиях.
В настоящее время при определении зоны смазки лыж существуют различные подходы. Например: приблизительная оценка зоны смазки исходя из опыта смазчика: http://vk.com/doc-44929821_252963117?dl=c32578a79b391841b0. Есть более объективные подходы с использованием щупа определенной толщины: http://skimsu.ru/?action=content&sub=selection.
Эти способы предусматривают подбор только длины зоны смазки и не учитывают толщины наносимых слоев смазки. Они не учитывают также динамического изменения длины зоны при изменении нагрузки в фазе скольжения на спуске на двух лыжах и фазе скольжения на одной лыже на равнинных участках трассы и подъеме.
Известен способ подбора зоны смазки, который учитывает распределение давления лыж на снежную трассу и толщину наносимого слоя лыжной смазки: http://bouldernordic.com/images/catalog/BNS_0910web.pdf. Этот способ позволяет в некоторой степени учитывать жесткость трассы и прогнозировать взаимодействие лыжи со снежной трассой. Однако тоже не учитывает динамического изменения длины зоны при изменении нагрузки в фазе скольжения на спуске на двух лыжах и фазе скольжения на одной лыже на равнинных участках трассы и подъеме. Он также не учитывает влияния толщины смазки на скольжение лыжи в различных фазах.
Наиболее близким решением является способ подбора зоны смазки спортивного инвентаря, http://www.skiselector.com/wp-content/uploads/pdf/skiselector-folder-england.pdf, включающий измерение геометрических параметров профиля дуги скользящей поверхности лыжи, расположенной на горизонтальной опорной поверхности, при приложении к лыже нагрузки, равной половине массы лыжника, и нагрузки, равной массе лыжника, и последующее определение границ длины зон смазки для разной жесткости трассы в точках пересечения профиля скользящей поверхности лыжи с горизонтальными сечениями, расположенными выше опорной поверхности соответственно на 0,1 мм; 0,2 мм; 0,3 мм и т.д. Предполагают, что чем жестче снежная трасса, тем меньше может быть зазор между лыжей и снежной трассой (например, 0,1 мм), и, соответственно, длина зоны смазки может быть большой. Наоборот, чем мягче трасса, тем больший должен быть зазор между лыжей и снежной трассой (например, 0.3 мм), и соответственно длина зоны смазки в этом случае будет меньше. Предполагается также, что высота профиля лыжи при половинной и полной нагрузке должна быть конструктивно разной для разных условий снежной трассы. Для теплых клистирных условий требуется конструктивно более высокий профиль скользящей поверхности. Для холодной погоды профиль скользящей поверхности может быть более низким. Для средних температурных условий - профиль скользящей поверхности средний по высоте. Такие конструктивные особенности лыж обеспечивают нанесение соответствующих погодных мазей необходимой толщины на зоны смазки соответствующей длины. Например, короткие по длине зоны смазки, но с толстым клистирным слоем. Или длинные зоны смазки с тонким слоем холодной мази.
Однако такой способ подбора зоны смазки спортивного инвентаря не учитывает динамики взаимодействия дуги профиля скользящей поверхности лыж со снежной трассой.
В отличие от однородных сред (газы, жидкости), снег имеет очень разнородные и нестабильные реологические характеристики. Трение по снегу не является как чисто сухим, так и чисто жидкостным (http://wwwl.fischer.ru/files/swix/xc-prof.pdf). Кроме того, во время скольжения лыж в снежной трассе возникают турбулентные явления. При этом можно предположить, что на участках конфузора (см. фиг. 1) большее влияние на скольжение лыж оказывает сухое трение, а на участках диффузора жидкостное трение.
Природа сухого и жидкостного трения различна.
Для сухого трения справедливо, что сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления тела на опору и коэффициенту трения скольжения между телом и опорой (http://www.ngpedia.ru/cgi-bin/getpage.exe?cn=192&uid=0.541804219596088&inte=8).
В случае жидкостного трения движущиеся тела полностью разделены пленкой смазки. (http://www.krugosvet.ru/enc/naukai_tehnika/tehnologiyaipromyshlennost/SMAZKA.html?page=0,1). Пока такая жидкая пленка цела, материал движущихся поверхностей и их шероховатость не имеют значения. От жидкой пленки требуется, чтобы она прилипала к движущимся поверхностям, т.е. чтобы не было проскальзывания смазки относительно поверхностей.
При определенных параметрах движения среды возникает турбулентность, которая наблюдается в потоках жидкостей и газов, многофазных течениях, жидких кристаллах, квантовых Бозе- и Ферми-жидкостях, магнитных жидкостях, плазме и любых сплошных средах (например, в песке, земле, металлах) (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D1%83%D1%80%D0%B1%D1%83%D0%ВВ%D0%В5%D0%BD%D1%82%D0%BD%D0%ВЕ%D1%81%D1%82%D1%8С). Турбулентность возникает самопроизвольно, когда соседние области среды следуют рядом или проникают один в другой, при наличии перепада давления или при наличии силы тяжести, или когда области среды обтекают непроницаемые поверхности. По существу, дуга профиля скользящей поверхности лыж (см. фиг. 1) представляет собой два плоских (щелевых) сопла Лаваля (https://ru.wikipedia.org/wiki/%D1%EE%EF%EB%EE%СВ%Е0%Е2%E0%EB%FF), установленные друг за другом. Такие профили достаточно хорошо изучены. Например, http://chem21.info/info/107007/.
Или, например, патенты РФ №№2420674, 2206409, 2034640, 2053029, 2095274, 2123957, 2113630, 2236915, 2258130, полезные модели по патентам РФ №№67179, 68590, 68591, 77351. Используя найденные в этих работах принципиальные зависимости влияния параметров профилей сопла Лаваля на гидравлическое сопротивление системы и ее энергетические потери, можно приблизительно определить качественные характеристики профиля скользящей поверхности лыж и классифицировать профиль скользящей поверхности лыж.
Отметим главные известные особенности взаимодействия лыжи со снежной трассой.
1. При сближении лыжи со снежной трассой быстро возрастают нормальные составляющие сил, характеризующие, например, несущую способность трассы. В большинстве случаев эта характеристика монотонна и однозначна.
2. Происходит запаздывание тангенциальных составляющих сил при изменении нормальных составляющих. Запаздывание обусловлено перестройкой стационарного состояния снежной трассы, которая требует прохождения некоторого пути при движении лыжи относительно снежной трассы. Имеющиеся экспериментальные данные в смежных отраслях подтверждают наличие этого запаздывания и его увеличение при уменьшении скорости относительного скольжения.
3. При увеличении скорости относительного скольжения при прочих неизменных условиях в отдельных диапазонах скоростей происходит уменьшение тангенциальной составляющей силы контактного взаимодействия.
4. При взаимодействии лыжи со снежной трассой, объединенная динамическая система обладает принципиально иными динамическими свойствами по сравнению с исходной системой без трения (см. фиг 1). При этом в контакте в зоне трения формируются диссипативные, ускоряющие, гироскопические, потенциальные и циркуляционные силы.
Характерно, что диссипативные и потенциальные силы зависят как от параметров контакта скользящей поверхности со снежной трассой, так и от параметров жесткости разных частей лыжи. Что касается гироскопических и циркуляционных сил, то они не зависят от параметров жесткости частей лыжи.
Механизм изменения потенциальных и формирования циркуляционных сил связан с отсутствием изменения силовой реакции со стороны контакта скользящей поверхности со снежной трассой на тангенциальное смещение контактирующих поверхностей. При определенном соотношении нормальных и тангенциальных составляющих сил контактного взаимодействия динамическая система за счет формирования циркуляционных сил может потерять устойчивость. Возможность потери устойчивости зависит также от параметров жесткости разных частей лыжи.
Механизм изменения диссипативных и формирования гироскопических сил обусловлен влиянием запаздывания изменения тангенциальных составляющих сил по отношению к вариациям нормальных составляющих.
Механизм формирования ускоряющих сил обусловлен кинетической характеристикой процесса трения. Ускоряющие силы могут формироваться и за счет запаздывания нормальных к контактирующей поверхности сил при вариациях смещения поверхности в этом же направлении.
5. Структура формируемых сил такова, что совершается работа не только за счет сил диссипации, но и за счет сил упругости.
Если рассмотреть взаимодействие лыжи со снежной трассой при скольжении, с точки зрения возникающей в снежной трассе турбуленции, то по мере возрастания числа Рейнольдса появляются сначала крупномасштабные пульсации; чем меньше масштаб движения, тем позже такие пульсации появляются. В тонком пограничном слое масштаб движения меньше, чем в толстом пограничном слое. На коротком участке пограничного слоя масштаб движения меньше, чем на длинном участке. При очень больших числах Рейнольдса, в турбулентном потоке присутствуют пульсации с масштабами от самых больших до очень малых.
Энергия черпается из крупномасштабного движения, откуда постепенно передается во все меньшие масштабы, пока не диссипируется в мелкомасштабных пульсациях. Поэтому, несмотря на то, что диссипация обязана, в конце концов, вязкости жидкости, порядок величины энергии может быть определен с помощью одних только величин, характерных для крупномасштабных пульсаций. Таковыми являются плотность и реологические характеристики снежной трассы, размеры и форма контактных зон скользящей поверхности лыж со снежной трассой и скорость скольжения лыжи. Крупномасштабная турбулентность, в нашем случае, определяется геометрической формой лыжи под нагрузкой, режимом скольжения, реологическими характеристиками снежной трассы.
Геометрическую форму лыжи под нагрузкой и при разных вариантах жесткости снежной трассы определяют с использованием «Устройства для тестирования лыж», патент Российской Федерации на полезную модель №1086016. Этим устройством измеряют индивидуальный профиль лыжи, на основе которого определяют зоны смазки.
Режим скольжения определяют «Устройством для определения эпюры лыж при скольжении», патент Российской Федерации на полезную модель №111446. Этим устройством измеряют распределение давления по длине скользящей лыжи, скорости деформации снежной трассы и величину деформации снежной трассы лыжей на различных соревновательных скоростях.
Реологические характеристики снежной трассы определяют по «Способу определения реологических свойств снежного покрова» патент Российской Федерации на изобретение №2365915. Этим устройством измеряют деформации снежной трассы в зависимости от давления и интенсивности нагружения.
Изменяя местоположение, форму и толщину наносимых слоев мази, в соответствии с геометрической формой лыжи под нагрузкой, в соответствии с режимом скольжения и реологическими свойствами снежной трассы, мы имеем возможность регулировать силы сопротивления скольжению.
Целью изобретения является повышение надежности подбора зоны смазки спортивного инвентаря путем учета динамических свойств системы «спортивный инвентарь-снежная трасса» в реальных погодных условиях во всем диапазоне соревновательных скоростей.
Указанная цель достигается тем, что в известном способе подбора зоны смазки спортивного инвентаря, включающем измерение геометрических параметров профиля дуги скользящей поверхности лыжи, расположенной на горизонтальной жесткой опорной поверхности, при приложении к лыже нагрузки, равной половине массы лыжника, и нагрузки, равной полной массе лыжника, измерение реологических свойств снежной трассы и последующее определение передней и задней границ длины зоны смазки для разной жесткости трассы в точках пересечения профиля скользящей поверхности лыжи с горизонтальными сечениями, расположенными выше опорной поверхности соответственно на 0,1 мм; 0,2 мм; 0,3 мм; 0,4 мм; 0,5 мм, и нанесение в пределах зоны слоев смазки, при этом в условиях менее жесткой снежной трассы (в сравнении с жесткой опорной поверхностью) переднюю границу зоны смазки сдвигают вниз по диффузорной части профиля дуги скользящей поверхности, а заднюю границу зоны смазки сдвигают вверх по конфузорной части профиля дуги скользящей поверхности на величину вертикальной деформации слоя снежной трассы лыжей под нагрузкой, при этом формируют наклонные слои смазки.
Такой способ подбора зоны смазки спортивного инвентаря позволяет уменьшать составляющую сухого трения при скольжении лыжи и увеличивать эту составляющую при отталкивании в классическом ходе. Кроме того, такой способ подбора зоны смазки, при скольжении лыжи на высоких скоростях, в условиях высокой влажности снежной трассы, когда потери энергии на турбуленцию становятся значительными, позволяет формировать профиль дуги скользящей поверхности меньшей длины и с меньшей кривизной. Такой профиль обладает меньшими потерями энергии на образование крупномасштабных турбулентных пульсаций.
Рассмотрим взаимодействие лыжи со снежной трассой во время фазы проката на одной лыже (Фиг. 2). Задача сервисменов обеспечить минимальное сопротивление скольжению в этой фазе движения классическим ходом. На лыжу действует внешняя сила, направленная вниз и вперед. Участок скользящей поверхности лыжи с держащей смазкой параллельный (А) поверхности снежной трассы имеет нормальные и касательные составляющие сил реакции взаимодействия. Участок скользящей поверхности с держащей смазкой на конфузорной части (В) имеет дополнительные нормальные и касательные составляющие сил реакции взаимодействия, которые увеличивают силы сопротивления скольжению, т.к. направлены навстречу внешней силе. Участок скользящей поверхности с держащей смазкой на диффузорной части (С) имеет дополнительные нормальные и касательные составляющие сил реакции взаимодействия, направленные в одном направлении с внешней силой. Это уменьшает силы сопротивления скольжению.
Рассмотрим взаимодействие лыжи со снежной трассой во время фазы отталкивания на одной лыже (Фиг. 3). Задача сервисменов обеспечить максимальное сцепление лыжи со снежной трассой в этой фазе движения классическим ходом. На лыжу действует внешняя сила, направленная вниз и назад. Участок скользящей поверхности лыжи с держащей смазкой параллельный (А) поверхности снежной трассы имеет нормальные и касательные составляющие сил реакции взаимодействия. Участок скользящей поверхности с держащей смазкой на конфузорной части (В) имеет дополнительные нормальные и касательные составляющие сил реакции взаимодействия, которые уменьшают нормальную и уменьшают касательную, составляющую сил взаимодействия и т.о. уменьшают силы сцепления лыж со снежной трассой. Участок скользящей поверхности с держащей смазкой на диффузорной части (С) имеет дополнительные нормальные и касательные составляющие сил реакции взаимодействия, которые увеличивают нормальную и увеличивают касательную, составляющую сил реакции взаимодействия и т.о. увеличивают силы сцепления лыж со снежной трассой. Поэтому для улучшения скольжения нужно минимизировать смазку мазью держания конфузорной части (В), а для улучшения сцепления лыжи и снежной трассы полностью использовать для смазки мазью держания длину диффузорной части (С).
На низких скоростях перемещения спортивного снаряда (например, 0-2 м/с) и на жесткой трассе вклад степени турбулентности в силы сопротивления скольжению незначителен и оказывает меньшее влияние на силы сопротивления перемещению в сравнении с силами сухого трения и силами лобового сопротивления. Однако на высоких скоростях перемещения (например, 5-20 м/с) и на мягкой трассе или трассе с высокой влажностью вклад степени турбулентности в силы сопротивления скольжению и влияние на силы сопротивления перемещению спортивного инвентаря может значительно превысить силы связанные с коэффициентом трения.
Увеличение скорости перемещения спортивного инвентаря от малых скоростей к большим характеризуется вначале незначительным увеличением степени турбулентности снежной трассы, а затем, при достижении определенной скорости (зависящей от большого числа факторов), степень турбулентности резко возрастает, достигая максимума, и в дальнейшем сохраняется практически постоянной или даже несколько уменьшается. Изменяя местоположение зоны смазки и ее угол наклона к поверхности снежной трассы, изменяя форму и толщину слоев смазки в соответствии с индивидуальным профилем лыжи и реологическими свойствами снежной трассы, мы можем уменьшить кривизну дуги прогиба лыжи и длину этой дуги. Таким образом, мы получаем возможность снизить потери энергии на сухое трение и потери энергии на турбулентность.
Этот анализ указывает на наличие новизны в заявленном способе.
Сравнение заявленного способа с другими техническими решениями того же направления показывает, что изменение местоположения зоны смазки и ее угла наклона к поверхности снежной трассы, изменение формы и толщины слоев смазки в соответствии с погодными условиями и реологическими характеристиками снежной трассы, позволяет снизить потери на трение и потери энергии на турбулентность.
Таким образом, можно сделать вывод о превышении заявленным способом существующего уровня техники.
На Фиг. 1 показан профиль дуги, скользящей поверхности лыж с разделением на участки характерного взаимодействия со снежной трассой при внешней нагрузке, равной половине массы спортсмена (верхний график), и при внешней нагрузке, равной полной массе спортсмена (нижний график). 0 - поверхность снежной трассы.
На Фиг. 2 схематически показаны отдельные участки профиля дуги скользящей поверхности при взаимодействии лыжи со снежной трассой во время фазы проката на одной лыже.
На Фиг. 3 схематически показаны отдельные участки профиля дуги скользящей поверхности при взаимодействии лыжи со снежной трассой во время фазы отталкивания при классическом ходе.
На Фиг. 4 показан профиль дуги, скользящей поверхности лыж с нанесенными двумя слоями мази по способу прототипа.
На Фиг. 5 показан профиль дуги, скользящей поверхности лыж с нанесенными двумя слоями мази по предложенному способу.
Способ подбора зоны смазки спортивного инвентаря поясняется на примере его выполнения.
Имеем геометрический профиль дуги скользящей поверхности классических лыж (Фиг. 4; Фиг. 5), полученный с помощью лазерного стенда для тестирования лыж (патент на полезную модель РФ №108616).
По прототипу (Фиг. 4) слои мази наносятся на зону смазки так, чтобы между снежной трассой и лыжей имелся зазор 0.2 мм для первого слоя и 0.3 мм для второго слоя при нагрузке на лыжу половины массы лыжника (верхний график). Однако в этом случае, прокат на одной лыже (нижний график) будет затруднен из-за большой силы сухого трения на конфузорной части скользящей поверхности, смазанной мазью держания. Кроме того, форма скользящей поверхности при такой смазке имеет резкие перегибы. Соответственно при скольжении будут иметь место большие перепады давления вдоль скользящей поверхности. И, соответственно, это может вызвать крупномасштабные турбулентные явления и потери энергии скольжения.
По предложенному способу (Фиг. 5) слои мази наносятся на зону смазки, но при этом переднюю границу зоны смазки сдвигают вниз по диффузорной части профиля дуги скользящей поверхности, а заднюю границу зоны смазки сдвигают вверх по конфузорной части профиля дуги скользящей поверхности. Величину сдвига выбирают в зависимости от реологических характеристик снежной трассы.
Так на жесткой ледянистой трассе (при величине вертикальной деформации снежной трассы под лыжей на соревновательной скорости до 0,2 мм) сдвиг может быть минимальным. В этих условиях контакт конфузорной части профиля скользящей поверхности со снежной трассой незначителен и влияние на скольжение турбулентных явлений также незначительно.
На мягкой, рыхлой трассе (при величине вертикальной деформации снежной трассы под лыжей на соревновательной скорости более 0,5 мм) или трассе с высокой влажностью задняя граница зоны смазки может сдвигаться по конфузорной части профиля практически к вершине дуги прогиба скользящей поверхности. Это обеспечивает снижение сил сухого трения, так как снежная трасса контактирует с несмазанной мазью держания конфузорной частью профиля скользящей поверхности. При этом формируется короткий профиль дуги прогиба скользящей поверхности с более плавными изгибами, что способствует предотвращению крупномасштабных турбулентных явлений.
Для разных геометрических профилей лыж и разных реологических характеристик снежной трассы требуется формирование разных по толщине и минимальных по кривизне формы слоев держащей мази. Толщину слоев мази вдоль зоны смазки контролируют специальными измерительными приборами, например, «Измерительная гребенка. ГУ», http://constanta.ru/catalog/mekhanicheskie_tolshchinomeryzashchitnykh_pokrytiy/izmeritelnye_grebenkigu/.
Так для снежной трассы, реологические характеристики которой способствуют формированию относительно толстого пограничного слоя, склонного к турбулентным пульсациям (например, при величине вертикальной деформации снежной трассы под лыжей на соревновательной скорости более 0,5 мм), необходимы более короткие переходы от конфузорной части поверхности скольжения к диффузорной. В этом случае наносят более короткие слои мази держания толщиной, обеспечивающей плавный переход с минимальной кривизной от конфузорной части поверхности скольжения к диффузорной. Это создает мелкомасштабную турбуленцию и предотвращает крупномасштабные турбулентные явления.
Если реологические свойства снежной трассы таковы, что формируют тонкий пограничный слой, менее склонный к турбулентным пульсациям (например, при величине вертикальной деформации снежной трассы под лыжей на соревновательной скорости до 0,2 мм), то слои мази держания формируют более длинными. Такие слои создают плавные длинные переходы от конфузорной части поверхности скольжения к диффузорной, но благодаря высокому расположению от снежной трассы, предотвращают возникновение крупномасштабных турбулентных пульсаций и соответственно уменьшают диссипацию энергии.