Узел соединения веретена и лопасти весла

Полезная модель относится к судостроению, в частности к оборудованию для осуществления движения судов с помощью мускульной силы и может быть использована в веслах для спортивной гребли.
Известен узел соединения веретена и лопасти весла, в котором веретено соединено с лопастью посредством шарнира, причем ось шарнира совпадает с продольной осью стержня весла.
При этом поворот лопасти осуществляют вокруг продольной оси стержня весла посредством дополнительной рукоятки, ориентированной перпендикулярно продольной оси стержня весла (см. а.с. СССР № 1311999, дата публикации 23.05.87).
Недостатком известного решения является необходимость постоянного регулирования положения лопасти по отношению к водной поверхности – при заносе весла для нового гребка спортсмен поворачивает лопасть весла параллельно курсу движения каноэ, а при погружении весла в воду разворачивает лопасть в исходное положение.
В качестве ближайшего аналога принят узел соединения веретена и лопасти весла, в котором веретено соединено с лопастью посредством шарнира, причем ось шарнира ориентирована перпендикулярно веретену (см. патент РФ № 2500571, дата публикации 10.12.2013).
Недостатком ближайшего аналога является отсутствие возможности автоматического регулирования положения лопасти по отношению к водной поверхности за счет изменения величины угла между веретеном и лопастью.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание более эффективной конструкции узла, обеспечивающей возможность автоматического регулирования положения лопасти по отношению к водной поверхности за счет изменения величины угла между веретеном и лопастью.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении эффективности гребли, поскольку обеспечивается максимально близкое к перпендикулярному положение лопасти по отношению к направлению движения в процессе всего гребка за счет возможности автоматического изменения величины угла между веретеном и лопастью.
Поставленная задача решается тем, что в узле соединения веретена и лопасти весла, в котором веретено соединено с лопастью посредством шарнира, причем ось шарнира ориентирована перпендикулярно веретену, шарнир расположен со стороны рабочей поверхности лопасти и его ось ориентирована параллельно лопасти, при этом узел выполнен с возможностью автоматического изменения величины угла между веретеном и лопастью в зависимости от величины нагрузки на лопасть, для чего их соединяемые концы снабжены упорами, размещенными со стороны нерабочей поверхности лопасти, причем упор лопасти снабжен сквозным отверстием, кроме того в зазоре между упорами установлен упруго деформируемый элемент и ограничительный элемент, который пропущен через сквозное отверстие упора лопасти с возможностью перемещения в его полости и снабжен ограничителем, причем один конец ограничительного элемента закреплен на упоре веретена.
Кроме того, дальняя от лопасти стенка сквозного отверстия упора лопасти выполнена с уклоном в противоположную от лопасти сторону.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков предлагаемого технического решения и совокупности существенных признаков прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы полезной модели решают следующие функциональные задачи.
Признак «шарнир расположен со стороны рабочей поверхности лопасти» позволяет исключить «складывание» весла со стороны рабочей поверхности лопасти при гребле.
Признаки «ось [шарнира] ориентирована параллельно лопасти» и «узел выполнен с возможностью автоматического изменения величины угла между веретеном и лопастью в зависимости от величины нагрузки на лопасть» обеспечивают максимально близкое к перпендикулярному положение лопасти по отношению к направлению движения в процессе всего гребка и позволяют не тратить спортсмену время и силы на осуществление поворота лопасти относительно веретена.
Признаки «соединяемые концы [веретена и лопасти] снабжены упорами, размещенными со стороны нерабочей поверхности лопасти» обеспечивают возможность формирования между упорами зазора, изменение величины которого приводит к повороту лопасти относительно веретена.
Признаки «в зазоре между упорами установлен упруго деформируемый элемент» обеспечивает автоматическое изменение величины угла между веретеном и лопастью, поскольку при гребле упруго деформируемый элемент сжимается между упорами, обеспечивая силу сопротивления, пропорциональную нагрузке на лопасть (упору).
Признаки «в зазоре между упорами установлен … ограничительный элемент, который... снабжен ограничителем, причем один конец ограничительного элемента закреплен на упоре веретена» позволяют контролировать величину зазора между упорами и степень обжатия упруго деформируемого элемента за счет изменения положения ограничителя.
Признаки «упор лопасти снабжен сквозным отверстием», «ограничительный элемент… пропущен через сквозное отверстие упора лопасти с возможностью перемещения в его полости» и признак зависимого пункта формулы исключают вырывание ограничительного элемента из упора лопасти при изменении величины угла между веретеном и лопастью.
На фиг.1 изображен вид весла сбоку.
На фиг.2 изображены фазы движения весла по отношению к водной поверхности и разложение векторов сил, соответствующее различным фазам гребка.
На фиг.3 изображен узел соединения лопасти и веретена при различных фазах гребка.
На фиг.4 изображены гипотетические кривые изменения силы упора в зависимости от фазы гребка, построенные с использованием разложения векторов сил для стандартного весла без шарнира и для заявляемого весла.
На чертежах показаны лопасть 1, веретено 2, рукоятка 3, шарнир 4, упоры 5 и 6 лопасти 1 и веретена 2 соответственно, сквозное отверстие 7 упора 5, зазор 8 между упорами 5 и 6, упруго деформируемый элемент 9, ограничительный элемент 10, ограничитель 11 ограничительного элемента 10.
i
Также на чертежах указана Р – сила упора (давления воды на лопасть 1) соответствующей фазы гребка.
Весло содержит лопасть 1, веретено 2 и рукоятку 3, расположенную в верхней части весла.
Лопасть 1 соединена с веретеном 2 посредством шарнирного соединения.
Шарнир 4 расположен со стороны рабочей поверхности лопасти 1, его ось ориентирована перпендикулярно веретену 2 и параллельно лопасти 1.
Соединяемые концы лопасти 1 и веретена 2 снабжены упорами 5 и 6 соответственно, размещенными со стороны нерабочей поверхности лопасти 1.
Упор 5 лопасти 1 снабжен сквозным отверстием 7, причем дальняя от лопасти 1 стенка сквозного отверстия 7 упора 5 выполнена с уклоном в противоположную от лопасти 1 сторону.
В зазоре между упорами 5 и 6 установлен упруго деформируемый элемент 9 и ограничительный элемент 10.
Ограничительный элемент 10 пропущен через сквозное отверстие 7 упора 5 лопасти 1 с возможностью перемещения в его полости и снабжен ограничителем 11, причем один конец ограничительного элемента 10 закреплен на упоре 6 веретена 2.
Заявляемое весло используют следующим образом.
Предварительно определяют исходные характеристики весла по стандартным методикам.
Необходимый диапазон поворота лопасти 1 относительно веретена 2 определяется модулем Юнга материала упруго деформируемого элемента 9.
На начальном этапе фиксируют ограничитель 11 на ограничительном элементе 10.
Изменение положения ограничителя 11 и длины ограничительного элемента 10 позволяет:
- задавать исходный угол между упорами 5 и 6 лопасти 1 и веретена 2 соответственно;
- настраивать и фиксировать необходимый диапазон поворота лопасти 1 относительно веретена 2;
- создавать предварительное напряжение в упруго деформируемом элементе 9, который выступает в качестве распорки, таким образом исключается люфт, а степень обжатия упруго деформируемого элемента 9 определяет жесткость шарнирного соединения и ход лопасти 1 при гребке.
Спортсмен держит весло в руках стандартным способом и совершает гребок по классической схеме.
i
При погружении весла в воду возникает сила упора Р из-за давления воды на лопасть 1.
В процессе гребка, при увеличении нагрузки на лопасть 1, она поворачивается относительно веретена 2, при этом упруго деформируемый элемент 9 сжимается между упорами 5 и 6, обеспечивая силу сопротивления, пропорциональную нагрузке на лопасть (упору), а ограничительный элемент 10 перемещается в сквозном отверстии 7 упора 5 лопасти 1.
Таким образом, в процессе всего гребка обеспечивается максимально близкое к перпендикулярному положение лопасти 1 по отношению к направлению движения.
По окончанию гребка лопасть 1 возвращается в исходное положение относительно веретена 2.
Площадь, ограниченная кривыми на фиг. 4, в определенном масштабе соответствует энергии, реализованной в процессе движения судна.
Проанализировав изображение на фиг. 4, можно сделать вывод, что площадь под кривой, соответствующей веслу с шарниром, а значит и кинетическая энергия движения больше, чем для весла без шарнира.
В соответствии с известной формулой кинетическая энергия
, где
– кинетическая энергия движения;
– масса судна;
– скорость движения.
Отсюда следует формула для определения скорости, соответствующей определенной кинетической энергии:
.
Возрастанию кинетической энергии на величину  при неизменной массе должно соответствовать увеличение скорости , т.е.
.
Отсюда несложно получить величину прироста скорости:
.
Следует иметь в виду, что для спортивных судов, когда решающим фактором является скорость, а результаты на финише зачастую отличаются на сотые доли секунды, даже незначительное увеличение скорости играет решающую роль. Именно в этом состоит положительный эффект предлагаемого технического решения.