ЛАСТ

Полезная модель относится к средствам для повышения скорости перемещения пловца, а именно, к конструкции ласт.
Известны, см. «Справочник водолаза -М.:Воениздат, 1973, стр. 99, различные конструкции ласт, изготовленных из резины, для подводного плавания, для отдыха и игр на воде, а так же для работ, связанных с длительным пребыванием в воде, состоящие из эластичной галоши и гребной лопасти с ребрами на боковых сторонах. От изобретения французом Луи де Карле ласт, которые он запатентовал в 1933 г. (см.патент США № 2099973,НКИ 441-64) и производство их из резины было налажено в США, до наших дней были созданы сотни различных конструкций ласт с целью обеспечения ускоренного передвижения при плавании в воде.
Одни технические решения касались оптимальных параметров лопасти, другие решения затрагивали вопросы крепления ласта к ноге (форма галоши, конструкция ремешков), появились решения со складной гребной частью, как в продольном, так и поперечном направлении, ласты для различных по скорости и длительности плавания режимов, ласты для стайерских и спринтерских дистанций, ласты для прыгания с трамплина, ласты для плавания стилями «кроль или «брасс, ласты для детей, ласты, одеваемые на водолазное снаряжение, ласты, лопасть которых расположена под положительным и отрицательным углом, ласты симметричные относительно продольной оси и ассиметричные, ласты со съемной лопастью, ласты с перфорацией на поверхности лопасти, ласты с гребной лопастью расположенной над стзшней, ласты, лопасть которых выполнена синусоидальной в продольном направлении, моноласты, и даже специальные конструкции ласт для инвалидов, спортсменов, занимающихся дрессировкой дельфинов в бассейнах, и т.п.
ЛАСТ
Одно из требований, предъявляемых к ластам, это сочетание легкости и прочности с обеспечением высокой тяговой силы при циклическом колебательном движении ног пловца, а основное требование к галошной части состоит в передаче толчковых усилий от ног пловца к лопасти при минимальных затратах энергии пловца.
Проведенная патентно-техническая экспертиза по теме «Ласт показала, что в настоящее время все многообразие ласт изготавливается либо литьем под давлением, либо компрессионным формованием, либо совмещенным способом. Некоторые зарубежные Фирмы изготавливают ласты литьем под давлением из резины или термопластов.
Недостатком ласт, изготовленных из резины, является их малая жесткость, поэтому для повышения жесткости конструкции применяют либо более твердую резину, либо увеличивают толщину лопасти, либо увеличивают количество ребер, что в конечном итоге приводит к увеличению массы и, тем самым, обуславливает большую нагрузку на ноги и ухудшает эксплуатационные качества ласт, особенно предназначенных для массового любительского плавания. К тому же, изучение кинограмм работы ласт в эксплуатации показало, что не все участки по длине лопасти вносят равноценный вклад в тяговую силу ласт.
Проблему увеличения жесткости ласт пытались решить и создавая ласты с армированными элементами.
Так, известна конструкция ласт по патенту Франции № 2332038, МПК А63В 31/10, которые имеют галошу из эластичного материала и гребную лопасть, изготовленную из более жесткого материала, чем галоша, причем гребная лопасть вставлена в направляющие пазы боковых ребер и разъемно прикреплена к подошве галоши. На рабочей поверхности гребной лопасти выполнены продольные канавки.
ребер по мере изменения характеристик резины с течением времени (в процессе старения резины и т.п.).
В патенте Франции № 1344379 МПК А63В, гребная лопасть выполнена за одно целое с галошей из тонкого эластичного материала, однако над поверхностью ее лучееобразно в пазах вблизи зоны носка галоши и в пазах около кромки лопасти установлены армирзтош;ие пластины из жесткого материала. Однако и эта конструкция, хотя и увеличивает жесткость лопасти, крепление в ней пластин недостаточно надежно, и, кроме того, при эксплуатации появляется рассогласованность колебательных движений лопасти и пластин.
Известны конструкции ласт без галошной части, но с неразъемным пяточным ремешком, которые в составе ребер на лопасти имеют армировку, выполненную из стального пруткового материала. По патенту Италии N° 511942, НКИ 11 в каждом из трех ребер лопасти съемно установлены металлические стержни, в патенте Франции № 2185214, МПК А63В 31/00, на гребной лопасти установлены четыре упругих стержня, а в конструкции по патенту США № 3411165, НКИ 441-64, запрессованы в два боковых ребра и центральное ребро металлические стержни, которые позволяют увеличить жесткость лопасти в поперечном направлении, и в то же время снизить массу ласта, причем вдоль поверхности ласта образуются два желобчатых канала, которые при движении ног пловца создают реактивный эффект при туннельной подаче вдоль каналов жидкости, способств}тощей увеличению тяговой силы ласта.
Имея повышенную жесткость за счет армирования прутковым металлическим материалом при незначительном увеличении массы ласт - такие конструкции имеют лучшие эксплуатационные свойства, чем ранее применявшиеся лопасти, целиком выполненные из металлических пластин, из текстолита, стеклопластика, но в то же время у них отсутствует плавность изменения жесткости в продольном направлении с уменьшением к свободному концу лопасти, к тому же появление жестких и упругих
лопастей увеличило нагрузки на стопу в 2-6 раз и особенно важны стали амортизационные свойства галош, нод которыми понимают равномерное распределение удельных и снижение динамических нагрузок на стопу, и выбора оптимальных характеристик по упругости и плотности материала.
Модуль нормативной упругости (Е) - это мера жесткости материала, характеризующая сопротивление развитию упругих деформаций и равная отношению напряжения к обратимой деформации, отвечающей этому напряжению, для стальной проволоки, например, равен 200 ГПа, при плотности () ее равной 7800 кг/м.
Несколько лучщие характеристики по упругости и плотности имеет из металлов титан, у которого модуль нормативной упругости (Е) равен ПО ГПа при плотности () равной 4500 кг/м, поэтому в качестве ближайщего прототипа выбрана конструкция ласта по авторскому свидетельству СССР № 272114, МПК А63В 31/08, состоящая из галоши и лопасти, причем лопасть имеет вилкообразную упругую арматуру для повышения скоростных качеств ласта, выполненную из титана для уменьшения веса.
Такая конструкция ласт имеет уменьшающуюся к концу ласта толщину поперечного сечения, способствующую достижению хороших гидродинамических качеств ласта.
Вместе с тем, и в этой конструкции не достигнуто оптимального соотношения упругоэластических свойств ласт и массы их, к тому же ласт по а.с. № 272114 обладает малой пропульсивной силой, так как угол между галошей и лопастью приводит к возрастанию гидродинамического сопротивления.
Задачей предполагаемой полезной модели является устранение отмеченных недостатков и создание ласты из резины с уменьшенной массой и с повышенными эксплуатационными качествами.
в большей степени повышение эксплуатационных качеств ласта в настояш;ее время связано с оптимальным выбором материалов для галоши, основной гребной лопасти с ребрами и армируюш;их элементов ребер.
Резина является хорошим материалом для изготовления галошной части ласта и гребной поверхности лопасти ласта. При плотности ее 1100-1190 кг/м она имеет очень низкий модуль нормативной упругости, порядка 0,294 ГПа и для создания достаточных упруго-деформационных свойств лопасти потребовалось бы либо увеличение размера боковых ребер, либо размещение дополнительных ребер на лопасти, что привело бы к значительному увеличению массы.
Жесткость лопасти резиновых ласт, характеризуюп ;ая одновременно физические свойства материалов и геометрические размеры сечения, по литературным данным находится в пределах 0,1-0,5 Н/м.
При плавании на короткие дистанции целесообразно использовать ласты с жесткостью 0,3-0,5 Н/м, а при плавании на длинные дистанции с частотой колебаний 0,5-0,75 Гц рекомендуется применять ласты с жесткостью 0,1-0,3 Н/м.
При использовании резиновых формовых ласт с жесткостью более 0,5 Н/м плавание в них становится неэффективным. А более высокие скорости плавания были достигнуты ведущими спортсменами-пловцами при применении ласт со стеклопластиковой лопастью, жесткость которых составляла 5 Н/м, что и позволило увеличить силу тяги их.
Сила, применяемая человеком при движении ног вверх-вниз достигает до 13,59 кг. Эксперименты показали, что средняя горизонтальная сила упора на протяжении всего движения ноги  5,78 кг.
В авиационной и ракетной технике оценивают конструктивные решения по удельной жесткости, которая представляет отношение жесткости к плотности материала. Применительно к оценке эксплуатационных упругих свойств ласта при изгибе при
одинаковом моменте ннерции сечения лопасти в качестве такого соотношения можно применять отношение модуля нормативной упругости к плотности материала и по этому соотношению выбирать новые материалы, оптимально удовлетворяющие требованиям обеспечения и хорошей работоспособности ласт и незначительной массы их, особенно при расчете армирующих материалов ребер ласт, для которых удельная жесткость, определенная по этому соотношению, должна быть больше, чем, например, для арматуры, изготовленной из титана.
Технический результат достигается тем, что ласт, состоящий из эластичной галоши и соединенной с ней гребной лопасти и имеющий по крайней мере по боковым сторонам два ребра, содержащие внутри армирующие элементы, имеет отличительные особенности, заключающиеся в том, что армирующие элементы выполнены из упругоэластичного материала в виде стержней, имеющих форму усеченного конуса с большим основанием конуса, расположенном в центральной зоне галоши, причем стержни расположены параллельно горизонтальной плоскости и боковым кромкам ребер только в центральной рабочей зоне их. Длина стержней составляет 0,3-0,4 от общей длины ласта, а диаметр стержня у большего основания конуса не превышает 5 мм. Отношение модуля упругости материала стержней к его плотности не менее чем в 6 раз превосходит аналогичное отношение для стержней, например, из титана, а материал для стержней выбран из группы углеродных волокон, временное сопротивление при изгибе которых лежит в пределах от 700 до 1300 МПа.
На нижней поверхности ласта в части зоны подошвы и в переходной зоне от верхней части галоши до поверхности гребной лопасти в диаметральной плоскости расположен киль, в поперечном и продольном сечениях имеющий форму равнобедренных треугольников, в первом случае с одной из вершин, направленной вниз, и во втором случае - с вершиной, направленной к зоне примыкания киля к нижней
поверхности гребной лопасти и основанием, направленным к подошве галоши, причем длина киля составляет 0,1-0,2 от общей длины ласта.
Гребная лопасть и галоша выполнены из резины, причем твердость резины, используемой для гребной лопасти вместе с ребрами и для киля больше твердости резины для галоши в 1,4-2,0 раза.
Суш;ность предполагаемой полезной модели поясняется по чертежам, где на
Фиг. 1 изображен общий вид ласта сверху, Фиг.2 изображен вид ласта сбоку, Фиг.З изображен частичный вид ласта снизу, Фиг.4 изображен вид сзади с частичным разрезом по А-А на фиг.З. Фиг.З изображено сечение Б-Б на фиг. 1.
Ласт состоит из эластичной галоши 1 и находящейся на одной продольной оси с ней и соединенной с ней гребной лопастью 2, образованною центральной поверхностью и двумя боковыми ребрами жесткости 3, симметрично расположенными относительно диаметральной плоскости, в центре сечения которых расположены упругоэластичные стержни 4. Лопасть 2 в продольном сечении имеет форму клина, толщина которого уменьшается к кромке лопасти. Она, обладая хорошей эластичностью, приводит к образованию продольного желоба на ее поверхности во время гребли. Оптимальную длину гребной лопасти определяют из условия, что усилия толчка пловца расходуются на преодоление сил сопротивления воды, действующих на гребную лопасть, и на передачу в единицу времени количества жидкости, окружающей гребную лопасть ласта.
Определяют и оптимальный контур ласта, имеющий наименьшее гидродинамическое сопротивление, а такое сопротивление имеет контур, имеющий в плане вид равнобедренного треугольника, а ширина гребных лопастей примерно удовлетворяет условию равенства их максимальному размеру тела пловца в сечении.
перпендикулярном направлению движения. Учитывается и существующий максимальный критический размер лопасти ласта , выще которого значительное увеличение веса и гидродинамического сопротивления приводит к быстрому утомлению пловца, и, следовательно, к снижению скорости. При этом применяются и известные из сопротивления материалов, зависимости, установленные для различных случаев действия внешних сил, математические соотношения между внешними силами, геометрические размеры элементов конструкции, возникающими силами упругости, позволяющие, пользуясь этими отношениями и характеристиками прочности материалов, определить необходимые размеры проектируемых элементов конструкции ласт. Обычно длина ласта выбирается в пределах от 500 до 600 мм, а ширина ласта в зоне подошвы галош - от 200 до 250 мм.
Боковые ребра жесткости 3 в продольном сечении имеют форму вытянутого треугольника, основание которого в зоне центральной части галоши, а на нижней поверхности ребер выполнены узкие продольные канавки 5. Ребра способствуют повышению устойчивости ласта во время плавания, особенно при нахождении его в крайних верхних и нижних положениях. Ребра с узкими продольными канавками уменьшают стекание потока воды в стороны и перетекание ее по боковым кромкам сверху вниз и обратно, устраняют возвратно-вращательное движение ласта вокруг продольной оси.
Сопряжение верхней поверхности носка галоши с верхней поверхностью лопасти выполнено плавным.
Для стабилизациилопасти при плавании на нижней ее поверхности в диаметральной плоскости от части зоны подошвы к переходной зоне от верхней части галоши до поверхности гребной лопасти расположен киль 6, в поперечном и в продольном сечениях имеющий форму равнобедренных треугольников, причем в поперечном направлении одна из скругленных вершин направлена вниз, а в продольном
направлении вершина направлена к зоне примыкания киля к ннжней поверхности гребной лопасти, а основание направлено к подошве галоши. Длина киля составляет 0,10,2 от обшей длины ласта, наличие киля способствует более плавной передаче усилий, с учетом требований амортизационности, на лопасть от подошвы галоши, повышает жесткость связи лопасти ласта с галошей и одновременно улучшает его гидродинамические характеристики.
В подошве галоши, в ее носовой части, предусмотрены два отверстия 7 для слива воды.
Для удобства съема на наружной поверхности пятки галоши предусмотрены рифления 8.
Стержни 4 имеют форму усеченного конуса с большим основанием конуса, расположенном в центральной зоне галоши. Длина стержней составляет 0,3-0,4 от обшей длины ласта, а диаметр стержней у большого основания конуса не превышает 5 мм, причем стержни расположены параллельно горизонтальной плоскости и боковым кромкам ребер только в центральной рабочей части их.
Условно конструкцию лопасти ласты можно разбить на две зоны: первая переходная (или промежуточная) зона, имеюшая выпуклую наружную поверхность, начинается от участка стыковки с носком галоши и плавно переходяшая во вторую почти плоскую зону.
Для различных частей ласты по твердости материала предъявляются неодинаковые требования, при этом под твердостью материала понимают его способность оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела, и конструкция ласта в значительной степени определяется свойствами материалов лопасти и галоши.
твердости: для пятки галоши с твердостью 40-50 ед. по Шору, а для лопасти, носка галоши, ребер и киля - из материала с твердостью 70-80 ед. по Шору.
Выполнение частей галоши из мягкой резины повышает комфортабельность размещения стопы ноги в галоше и предохраняет ногу от потертости.
Для изготовления ласта особенно важно знание и реологических характеристик резиновых смесей, т.к. ласты для плавания представляют собой сложное в конструктивном отношении изделие.
Изучение реологических свойств резиновых смесей и выявление закономерности их поведения позволяет прогнозировать оптимальные технологические параметр ласт, изготовленных методом формования из резины.
Такие требования по твердости особенно важны, т.к. в связи с возросшими нагрузками на стопу при повышении упругих характеристик лопастей возросли и требования к амортизационным свойствам галош, поэтому особо рассчитывается прочность галошной части ласта. Галоша должна плотно охватывать стопу ноги, т.к. через нее передается усилие от ноги к гребной лопасти ласта, длительное плавание в ластах не должно приводить к паталогическим изменениям стопы пловца. Для разработки рациональной формы колодки галоши проводят массовые антропологические исследования стоп, чтобы получить размерные признаки, необходимые для построения следа колодки и выбрать средние размеры стоп по отпечаткам и габаритам.
На основе теории серийного градирования составляются таблицы параметров колодок, а затем изготавливаются эталонные модели.
В качестве армируюшего стержня выбран стержень из углеродных волокон, сопротивление при изгибе которого лежит в пределах от 700 до 1300 МПа, модуль нормативной упругости которого от 200 ГПа до 500 ГПа, а плотность - 1500-1700 кг/м, причем удельная жесткость, равная отношению модуля упругости материала стержней из углеродных волокон к его плотности превосходит аналогичное отношение для стержней.
например, из стали или титана соответственно 5,2-6,7 раза для углеродных волокон с Е  200 ГПа или 13,00 - 16,75 раза для углеродных волокон с Е  500 ГПа.
В качестве материала для стержней могут быть выбраны композитныематериалы на основе углеродных волокон или других высокопрочных и высокомодульных материалов, характеристики которых не ниже характеристик углеродных волокон.
Такие армирующие стержни имеют хорошую адгезию к резине при изготовлении ласт методом формования.
Армирование такими стержнями, имеющими высокие упругие характеристики, намного сокращает время восстановления упругой лопасти после продольного изгиба в условиях эксплуатации, по сравнению с лопастью, изготовленной только из резины. Это позволяет пловцу делать интенсивный упор ногами на воду за короткое время, что ведет к увеличению частоты колебания ласта.
К тому же, например, вес аналогичного стержня из титана был бы в 3 раза больше, а модуль нормативной упругости примерно в 2 раза меньше.
При одном и том же напряжении относительная деформация будет меньше у того материала, для которого модуль нормативной упругости (Е) будет больше. Следовательно, модуль упругости характеризует жесткость материала и способность его сопротивляться деформации.
Выполнение лопасти в форме клина в продольном сечении и соответственно выполнение с подобной закономерностью стержней конической формы с уменьшением сечения к кромке лопасти, приводит к плавному изменению жесткости и упругости ласта по длине и к правильному учету действия конца лопасти ласта, которое играет существенную роль при создании максимального упора и облегчает переход ласта из одного положения в другое.
Уменьшение жесткости по длине лопасти к свободному ее концу и одинаковая жесткость боковых участков лопасти, превьппающая в поперечном сечении жесткость среднего участка, способствует увеличению срока службы ласта, а так же эффективности гребка и плавания.
Ластом пользуются следующим образом. Галоша ласта надевается и закрепляется на ноге. Пловец совершает гребковые движения ногами. Гребная лопасть из начального положения под действием усилия ноги пловца начинает двигаться вниз и через промежуточное положение переходит в крайнее положение. При этом движении гребная лопасть изгибается в вертикальной плоскости, имея положительную кривизну. Из крайнего нижнего положения гребная лопасть начинает двигаться вверх, (при этом положительная кривизна изменяется на отрицательную) и переходит в крайнее верхнее положение. Далее гребная лопасть вновь движется вниз и картина изменения кривизны гребной лопасти повторяется, при этом упругая деформация ласта полностью исчезает после прекраш,ения действия внешних сил.
В зависимости от силы толчка пловца, геометрических и физико-механических параметров гребной лопасти, наблюдается определенный изгиб гребной поверхности.
Гидродинамические исследования в сочетании с биомеханическим анализом позволяют найти более целесообразный угол изгиба ласт.
При этом силы, действуюш;ие на ласт, можно разложить по правилу параллелограмма на две составляющие: одну - в горизонтальном направлении, другую в вертикальном. Составляющая, действующая в направлении движения пловца, называется силой упора. Она обеспечивает продвижение пловца вперед. Вертикальная же составляющая силы является непроизводительной.
При движении ноги вверх максимальная сила упора развивается в нижнем положении, по мере прохождения положений ноги вверх сила упора уменьшается. При движении ноги вниз максимальная сила упора создается в верхнем положении, а затем
она уменьшается. Во время гребка вверх или вниз лопасть под действием силы давления воды на нее отклоняется в сторону направления действия силы до оптимального угла изгиба. Ласт изменяет продольный и поперечный профиль сечения. В продольном сечении лопасть искривляется наиболее сильно в рабочей части, а при изменении поперечного сечения образуется туннель между боковыми ребрами, причем сечение выходного участка туннеля больше входного, и создается дополнительный туннельный (реактивный) эффект за счет выбрасывания реактивной силой значительного количества перемеш;аемой вдоль туннеля воды.
Развиваемую ластом силу тяги можно повысить как за счет увеличения силы толчка пловца, что ограничено физиологическими возможностями человека, так и за счет выбора оптимальной жесткости гребной лопасти ласта.
При изгибе гребной лопасти со стержнями из материалов с высоким модулем нормативной упругости в ней накапливается упругая потенциальная энергия, которая при разгибании лопасти быстро переходит в кинетическую энергию, сообщая лопасти силу тяги, т.к. целенаправленный выбор конструкции ласта и упругих характеристик с оценкой развиваемой силы тяги способствует тому, что упругая потенциальная энергия прямо пропорциональна жесткости материала.
Выполнение клинообразным поперечного сечения ласта и конической формы из волокон, имеющих высокий модуль упругости и высокую относительную жесткость, а так же клинообразный профиль ребер, обеспечивает плавное изменение упругости и жесткости различных участков ласта и обеспечивает безотрывный характер обтекания лопасти водой, устойчивость лопасти в условиях турбулентного обтекания жидкостью и позволяет снизить вихреобразование водного потока при обтекании лопасти, тем самым получить высокие гидродинамические характеристики ласта.
эргономичностью, отвечает новым требованиям формообразования, применяемым к ластам.
Монолитная конструкция за счет хорошей адгезии резины и стержней из волокон, имеющих высокий модуль упругости, обеспечивает уменьшение затрат мускульных усилий пловца, благодаря относительной легкости, удивительной упругости и достаточной толчковой поверхности.
Повышены аэродинамические качества лопасти за счет увеличения отношения подъемной силы к лобовому сопротивлению, что обеспечивает большую эффективность продвижения с помошью ласт как на поверхности, так и при подводном плавании.
Созданная конструкция ласта подтвердила правильность обоснования выбора формы, размеров, жесткости и массы ласт и, кроме того, имеется возможность дальнейшего совершенствования путем применения более современных упругоэластичных материалов после глубоких теоретических и экспериментальных исследований с помощью как кинематических, так и динамографических испытательных устройств.
Созданная конструкция ласта не только удобна в эксплуатации, но и изготовление ее непосредственно в производстве не вызывает затруднений, не требует какой-либо специальной оснастки кроме пресс-формы и может быть выполнена в условиях нашего резинотехнического производства с соблюдением сушествуюшей формовой технологии.