автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Фрикционное взаимодействие конька с поверхностью льда и моделирование скольжения фигуриста

ВВЕДЕНИЕ. . •

ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЯ МЕХАНИКИ СКОЛЬЖЕНИЯ КОНЬКА

ПО КРИВОЛИНЕЙНЫМ ТРАЕКТОРИЯМ.II

1.1. Постановка задачи .II

1.2. Экспериментальные исследования

1.2.1. Принципиальная схема эксперимента

1.2.2. Описание экспериментального оборудования

1.2.3. Методика проведения эксперимента

1.2.4. Результаты экспериментов

1.3. Теоретический анализ процесса взаимодействия лезвия конька со льдом

1.3.1. Случай лезвия без заточки

1.3.2. Случай лезвия с заточкой

1.3.3. Уравнения, описывающие динамику скольжения фигуриста

1.4. Результаты сопоставления теории и эксперимента.

1.4.1. Качественный анализ

1.4.2. Количественный анализ

ГЛАВА П. ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ АНТИФРИКЦИОННЫХ

СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЛЕЗВИЙ КОНЬКОВ.

2.1. Постановка задачи

2.2. Принципиальная схема эксперимента

2.3. Описание экспериментального оборудования

2.4. Методика проведения экспериментов

2.5. Способ обработки экспериментальных данных

2.6. Анализ полученных результатов.

2.6.1. Результаты экспериментов

2.6.2. Оценка различий проведения экспериментов и условий скольжения конька по льду

ГЛАВА Ш. ЭКСПЕИШЕНТАЛЬШЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МОДЕМ СПОРТСМЕНА

ФИГУРИСТА

3.1. Постановка задачи

3.2. Принципиальная схема эксперимента

3.3. Описание экспериментального оборудования 81 3.3Л. Гидродинамическая труба.

3.3.2. Аэродинамическая труба

3.3.3. Модель человека

3.4. Методика проведения экспериментов

3.5. Способ обработки экспериментальных данных

3.6. Анализ полученных результатов.

3.6.1. Результаты экспериментов

3.6.2. Сравнение натурных и модельных испытаний

ГЛАВА 17. МОДЕЛИРОВАНИЕ СКОЛЬЖЕНИЯ ФИГУРИСТА

С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭВМ В ИНТЕРАКТИВНОМ РЕЖИМЕ

4.1. Постановка задачи.

4.2. Системный анализ процесса моделирования

4.3. Организация программных средств

4.4. Прикладная машинная модель.

4.5. Функциональные возможности ИГС моделирования движений фигуриста

4.6. Решение прикладных задач анализа движений фигуриста.

Обострение конкуренции в борьбе за медали на чемпионатах Мира и Олимпийских играх, наблюдаемое в последнее время, настоятельно требует качественно нового подхода к ведению учеб-но-тренировочного процесса, организации и проведению исследований в области спортивной науки, к повышению эффективности подготовки спортсменов [ {9 »"50, В значительной степени повышается роль спортивного инвентаря, целенаправленное изменение свойств которого может улучшить результаты квалифицированных спортсменов [ 3» 4 3 ,2,0] . Интерес к исследованиям в области физики и механики процессов скольжения различных спортивных снарядов по снегу и льду, а также к разработке математических моделей этих процессов стимулируется тем, что оптимизация скольжения в зимних видах спорта стала насущной необходимостью. В частности, без научного обоснования основных принципов скольжения конька по льду и изучения способов управления этим процессом невозможно решать на современном уровне вопросы, связанные с совершенствованием техники движений спортсменов, оптимизацией их энергетики, эргономики и другие задачи спортивной подготовки. Сопротивление скольжению твердого тела по льду изменяется в зависимости от температурных условий, геометрии скользящего тела, величины передаваемой на лед нагрузки, скорости скольжения, а также от вида материала и характера обработки скользящей поверхности тела. Большое количество факторов, влияющих на скольжение, затрудняет выявление четких зависимостей коэффициента трения от каждого из них, а недостаточное внимание к методической стороне исследований нередко служит источником получения противоречивых результатов.

Кроме того, известные работы [ 2 , ,2,6 ,37 ,

0~\ » посвященные вопросам оптимизации скольжения конька по льду, не учитывают сложного взаимодействия спортсмена с коньком и окружающей внешней средой. Такая постановка задачи не может в настоящее время удовлетворять практику спорта.

Хорошо известно, что морфофункциональные особенности спортсмена, индивидуальные особенности техники его движений приводят к тому, что даже незначительные изменения в связях спортсмена с инвентарем и окружающей его внешней средой во мно гом влияют на достижение поставленного результата и определяют эффективность спортивной деятельности , -1 4-}. Поэтому в наиболее общем виде объектом исследований в таких задачах является биомеханическая система "Человек-инструмент-среда", изучение которой позволяет получить знания, используемые в процессе обучения, при рациональном изменении инвентаря и факторов внешней среды. Сложность и многообразие движений человека, его экстренное реагирование с учетом особенностей организма на раз личные изменения внешних условий определяют потенциальную сложность количественного описания, оптимального построения и моделирования таких систем. Вследствие этого задачи, связанные с анализом систем "человек-инструмент-среда", оказываются математически слабоформализованными, а модели, описывающие эти задачи, - несовершенными из-за наличия множества параметров и случайных факторов. Анализ такого рода труднооптимизируемых мно-гопараметрических задач с помощью аналитических методов наталкивается, как правило, на значительные трудности, которые в недавнем прошлом казались непреодолимыми.

Современный уровень развития вычислительной техники (ВТ), базирующийся на технологии персональных вычислений и методах интерактивной машинной графики, открывает новые возможности в постановке и реализации таких задач на основе разработки наглядных методов отображения информации и создания наилучшего взаимодействия человека с ЭВМ [4-5] . Под персональными вычислениями будем понимать предоставленную специалисту, не имеющему профессиональной подготовки в области ВТ, возможность работать без посредников "один на один" с компьютером [-Н] , под интерактивной машинной графикой - область применения ВТ, связанную с организацией оперативного графического взаимодействия человека с ЭШ [25] .

Современная ЭШ может наилучшим образом обеспечить регистрацию необходимой информации, ее передачу, хранение, поиск, выполнение различных расчетных задач, выдачу результатов в наиболее удобном для восприятия пользователя виде. В свою очередь, важным преимуществом человека перед ЭВМ является его умение находить и использовать эвристические методы решения поставленной задачи; его способность обобщать частные и анализировать маловероятные взаимоисключающие события, осмысливать не полную информацию и создавать цельное представление только по некоторым отдельным данным. Человек способен опознавать изображения, выявлять их структуру, находить в них закономерности при изменяющихся условиях.

На основе привнесения человеком эвристических и прагматических соображений в решение слабоформализованных задач развиваются методы исследования сложных систем, основанные на организации имитационного эксперимента с прикладной машинной моделью и проигрыванием различных ситуаций на компьютере для принятия обоснованных и оптимальных решений. Такой подход значительно расширяет возможности моделирования и внедрения полученных знаний в практическую деятельность. К числу основных достоинств имитационного моделирования относятся: соединение аналитических, численных и качественных методов решения поставленной задачи; выделение наиболее трудно поддающейся математическому описанию части исследуемой системы и проведения ее анализа на эвристическом уровне; включение в прикладную модель результатов натурных испытаний отдельных частей исследуемой системы для проведения дальнейших исследований; многократное проведение имитационного эксперимента при различных исходных данных; коррекция модели для повышения ее точности и полезности на основе сопоставления полученных результатов с реальной практикой [1-1 , 59 »45] .

Учитывая изложенное выше, можно сформулировать цель настоящей диссертационной работы, которая заключается в исследовании и разработке методов оптимизации процесса скольжения спортсмена на коньках путем проведения имитационного эксперимента с применением ЭВМ.

Для достижения поставленной цели было необходимо:

1. Изучить физические явления, имеющие место при скольжении конька по льду.

2. Построить математическую модель процесса скольжения спортсмена на коньках.

3. Разработать методику решения задач анализа биомеханических систем "Человек-инструмент-среда" на основе использования технологии персональных вычислений и средств интерактивной машинной графики.

4. Предложенную методику применить к системе "Спортсмен-конек-лед", т.е. на основе полученных исходных знаний и разработанных алгоритмов реализовать программное обеспечение интерактивной графической системы (ИГС) для решения задач оптимизации процесса скольжения спортсмена на коньках.

Диссертационная работа посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиям скольжения конька по поверхности льда и состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Каждая глава начинается с краткого обзора литературы, относящейся к анализируемой в данной главе конкретной проблеме, и постановки задачи исследования. Б заключении каждой главы сформулированы краткие выводы по данной части работы. В приложении приведен пакет прикладных программ ИГС для решения задач оптимизации скольжения спортсмена на коньках.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработаны установка и методика, позволяющие проводить исследования по трению образцов из различных материалов при их скольжений по льду в диапазоне скоростей от 0+10 м/с при номинальном давлении на контакте 4 х ТО5 * 8 х Ю5 Па.

2. Проведен сопоставительный анализ антифрикционных свойств образцов, изготовленных из шести различных марок стали, используемых для изготовления скользящих поверхностей спортивного инвентаря отечественными и зарубежными фирмами. Выявлен образец из отечественной стали, который в условиях, типичных для крытых искусственных катков, обладает значительно лучшими антифрикционными свойствами по сравнению с остальными. Определен состав стали, которую можно рекомендовать для изготовления лезвий коньков и пассивных скользящих опор транспортных средств.

3. Разработаны устройство и методика, позволяющие исследовать фрикционное взаимодействие со льдом лезвия конька, скользящего по криволинейным траекториям.

4. Разработана схема силового взаимодействия конька со льдом, учитывающая упруго-пластические эффекты, возникающие при деформации льда. Построена полуэмпирическая теория, позволяющая оценить влияние различных факторов, таких как скорость скольжения, угол наклона лезвия конька, его геометрия в зоне контакта и т.д., на процесс скольжения, которая может служить основой для решения задач оптимизации скольжения спортсмена на коньках, создания оптимальных конструкций лезвий коньков, полозьев 6о6ое и санок.

5. Показана допустимость замены натурных испытаний при определении аэродинамического сопротивления человека соответствующими испытаниями на моделях. Получены количественные значения коэффициентов аэродинамического сопротивления человека в позах, характерных для скольжения спортсмена-фигуриста. В .диапазоне "рабочих" скоростей 3*7 м/с коэффициент Сх значительно меняется при изменении позы спортсмена и слабо зависит от скорости.

6. Рассмотрены вопросы автоматизации решений трудноопти-мизируемых многопараметрических задач анализа движений человека. Сформулированы принципы и методика их решения на основе использования технологии персональных вычислений и средств интерактивной машинной графики. Задачи подобного рода встречаются в эргономике, медицине, спорте, профессиональном образовании при разработке программного обеспечения робототехиических систем.

7. Предложенная методика графического моделирования движений человека применена к системе "Фигурист-конек-среда", разработаны алгоритмы и программы решения на ЭВМ задач оптимизации скольжения спортсмена на коньках.

8. Разработанные установки и методики, приведенные в диссертации, внедрены в отделе механики природных процессов Института механики МГУ. Рекомендации по выбору радиусов овалов и заточки лезвий коньков используются в Управлении конькобежного и санно-бобслейского спорта Госкомспорта СССР. Полученные результаты сопоставительного анализа антифрикционных свойств металлов используются ВЙСТИ для производства скользящих поверхностей спортивного инвентаря.

Научные результаты диссертации применяются в учебном процессе ГЦОЛИФКа и ВДКИФКа.

1. Алексаткин В.В., Апарин В.И., Балакин В.А., Духовской Е.А., Шадрин В.Г. Выбор стали беговых коньков // Конькобежный спорт. № I. - М.: ФиС, 1972. - С.60-62.

2. Арнольд-Алябьев В.И. Трение скольжения льда по стали // Журнал технической физики. Т.7. - Вып.8. - М.:- 1927. -С.873-878.

3. Балакин В.А., Духовской Е.А., Шадрин В.Г. Взаимодействие бегового конька со льдом // Конькобежный спорт. -II,-М.: ФиС, 1980. С.47-49.

4. Белякова З.Н., Пухов А.Л., Рулин В.И., Юдин Г.В. Экспериментальное исследование аэродинамических характеристик моделей летательных аппаратов и его частей в напорной гидротрубе. М.: МАТИ, 1986. - 56 с.

5. Боген М.М. Обучение двигательным действиям. М.: ФиС, 1985. - С.41-59.

6. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел. М.: Машиностроение, 1968. - C.I32-I5I.

7. Будневич С.С., Дерягин Б.В. 0 скольжении твердых тел по льду // ЖТФ. Т.22. - Вып.12. - 1952. - C.I967-I980.

8. Григорян С.С. 0 нагревании и плавлении твердого тела от трения // ПММ. Т.ХХП. - 1958. - М.:- С.295-307.

9. Григорян С.С., Остроумов A.B., Савинков A.B. О механизме трения о лед // Наука и техника. Т.З, ноябрь-декабрь 1932. - Минск.: - С.978-987.

10. Громов Г.Р. Персональные вычисления новый этап информационной технологии // Микропроцессорные средства и системы. - № I. - М.:- 1984. - С.37-49.

11. Демкин Н.Б. Физические основы трения и износа машин. Кали нинский государственный университет. Калинин: - 1981. -115 с.

12. Доленко Ф.Л., Кислов В.Н. Эффективность скольжения бегово го конька // Конькобежный спорт. В I. - М.: ФиС, 1976. С.56-60.

13. Доленко Ф.Л., Кислов В.Н. К расчету овала лезвия беговых коньков // Т и ПФК. № 12. - М.: ФиС, 1970. - С.75-81.

14. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессивный анализ. -М.: Статистика, 1973. 220 с.

15. Епифанов В.П. К вопросу о механических свойствах льда // Известия АН СССР. МТТ. № I. - М.: - 1985. - С.187-192.

16. Епифанов В.П. Некоторые результаты экспериментальных исследований механических свойств ледяного покрова // Извес тия АН СССР. МТТ. I 2. - М.:- 1985. - С.182-201.

17. Епифанов В.П. Механика разрушения льда в зависимости от температуры и скорости нагружения // Известия АН СССР. МТТ. № 2. - М.: - 1984. - С.188-196.

18. Зациорский В.М. Кибернетика, математика и спорт. М.: ФиС, 1969. - 220 с.

19. Зациорский В.М. Актуальные проблемы спортивной и эргономической биомеханики / Тез.докл.Ш всес.конф. по проблемам биомеханики. Т,2. - Рига: - 1983. - С.5-6.

20. Зациорский В.М., Аруин A.C., Селуянов В.Н. Биомеханика двигательного аппарата человека. М.: ФиС, 1981.1. С.19-45.

21. Картер Д. С. Хрупкое разрушение поликристаллического льда при сжатии / Лед и его воздействие на гидротехнические сооружения. Л.; Всес.науч.-исслед.ин-т гидротехн. -1973. - С.69-79.

22. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969. - 420 с.

23. Кей Дж., Лэби Т. Таблицы физических и химических постоянных. М.: Физматгиз, 1962. - 247 с.

24. Климов В.Е. Средства и методы обработки графической информации в САПР. М.: МЭИ, 1983. - 96 с.

25. Корунов М.М. Трение скольжения конька по льду // Т и ФК. -Т.12. ВылЛ. - М.: ФиС, 1949. - С.69-72.

26. Лед / БСЭ. 3-е изд. - 1976. - T.I4. - С.753-754.

27. Мартынов А.К. Прикладная аэродинамика. М.: Машиностроение, 1972. - 447 с.

28. Меллор М. Механические свойства поликристаллического льда / Физика и механика льда. М.: Мир, 1983. - С.202-239.

29. Методологические проблемы совершенствования системы подготовки квалифицированных спортсменов. Под ред.Кузнецова В.В. М.: ВНЙИФК, 1984. - 238 с.

30. Мишин А.Н. Биомеханика движений фигуриста. М.: ФиС, 1981. - 198 с.

31. Остроумов A.B. Об одной тепловой задаче трения скольжения. Отчет № 1829. М.: Институт механики МГУ, 1976. - 45 с.

32. Остроумов A.B. Некоторые задачи тепловой динамики трения твердых тел. Отчет J§ I9II. М.: Институт механики МГУ, 1977. - 28 с.

33. Остроумов A.B. Исследование по механике трения о лед. Отчет $ 1938. М.: Институт механики МГУ, 1977. - 65 с.

34. Ратов И.П. Перспективы преобразования системы подготовки спортсменов на основе использования техники и средств тренажеров // Т и ПФК. В I. - М.: ФиС, 1976. - С.12-18.

35. Рейникке К. Аналитический метод определения ледовых нагрузок, использующий теорию пластичности / Физика и механика льда. М.: Мир, 1983. - С.310-326.

36. Семенов Е.С. Трение скольжения конька по льду // Т и ФК. -Т.13. Вып.1. - М.: ФиС, 1950. - С.3-14.

37. Сена I.A. Единицы физических величин и их размерности. -М.: Наука, 1969. 304 с.

38. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1985. - 270 с.

39. Соколов М.П. Трение скольжения конька по льду // Конькобежный спорт. М.: ФиС, 1959. - С.5-15.

40. Таблицы физических величин. Под ред.Кикоина И.К. М.: Атомиздат, 1976. - 1005 с.

41. Трение, изнашивание и смазка. Справочник в 2-х кн. М.: Машиностроение, 1978. - 758 с.

42. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика. М.: Наука, 1964. - 624 с.

43. Федяевский К.К. Гидромеханика. Л.: Судостроение, 1968. -445 с.

44. Штейн М.Е., Миненков А.О. 0 проблемах графического моделирования движений человека. К.: Наукова думка. УС и М,5 (91) сентябрь-октябрь 1987. C.I06-III.

45. Щумский П.А. О законе течения поликристаллического льда// Науч.тр.Института механики МГУ. М.: МГУ. - № 42. -1975. - С.54-68.

46. Энкарначчо Ж., Шлехтендаль Э. Автоматизированное проектирование: основные понятия и архитектура систем. М.: Радио и связь, 1987. - С.144-157.

47. Юдин Г.В., Белякова З.Н., Рулин В.И., Алексеев А.И. Метод визуализации потока возяушно-кавитационными пузырями, депонированная рукопись ВИШ, До 6805. 1985. - 25 с.

48. Browrn К.М. A quadratical 1 у convergent newton like method based upon Gaussie eli mi neti on // SCIAM on numer ucal anmalysis. 6(4), 1969. - P.373-378.

49. Dooley M. Computer-ai ded analysis and design in human engineering. Internal, report, Rockwell Int ' 1. Calif., Downey; 1981. - 56 p.

50. Di Prampero P.E., Cortili 13., Mognoni P. ,Sai bene F. Energy cost of speed skating and efficiency of work against air resistance // J. Appl. Phsiol., 40(4), 1976. P.584-591.

51. Calvert T.W.,Chapman J. Notation of movement with computer assistance // Proc. ACM. Conf., Vol 2, 1978. P.731-736.

52. Evans D.C.B., Nye J.F., Cheeseman K.J. The kinetic friction of ice // Proc. R. Sac. Land., A 347, 1976. • P. 493 512.

53. Fetter W-A. A computer graphics human figure system applicable to kineseology // ACM Special Interest Gr oup on Design Automation News letter. Vol 8. N 2, June 1978. P.37.

54. Glancy J.J., Larsen S.E. Users guide for program SIMULA / Dynamic science, Inc. Phoenix: 1972. 15 p.

55. Herb!son-Evans D. NUDES 2: A numeric utility displaying ellipsoid solids // Computer graphics, Vol 12, N 3. Aug.1978. P.354-356.

56. Mac Donald A. Visual programming // Datamation. Vol 28, N 11, Oct. 1982. P.132-140.

57. Marshall R.N., Toomey M.J. LIMBSIM a computer simulation package for teaching / Abs. 1-st. Inter, symp. on computer simulation in biomechanics. - Warshaws - P.21-22.

58. Nelson T. Interactive systems and the desing of virtuality // Creative computing. Vol 6, N 11, 1980. P.56-94.

59. Pugh, L.G.C.E. The influence of wind resistance in running and walking and mechnical effiency of work against horizontal or vertical forces // J. Physiol., N 213, 1971. P.255 -276.

60. Rutkowski C. An introduction to the human application standard computer interfase // Theory and principles- Vol 7. N 11, oct. 1982. P.291-310.

61. Schriau G.J. Van I. , Bakker K. / J. Human movement studies. Vol 6. 1980. P. 1-18.

62. Schonmetzler S. Biomechanische analyse von kuren und sprungtechniken beirn ei skunstl auf en. In.fur biomechanik der Deutschen sporthochschule. Koln: 1984. - 220 p.

63. Shanebrook J.R., Jaszczak R.D. Aerodinamic drag analysis of ranners // Med. Sc. Sports. Vol 8(1). 3 976. p.43 45,

64. Tusima K. A review on mechanism of friction of ice // J.of Japan Society of Lubrication Engneers. Vol 21. MS, J 976. P.287-294.

65. Tusima K., Yosida Z. Melting of ice by friction // Low temperature science. Ser. A, Vol 27. P.287-294.

66. Twigg D.W., Karnes R.N. PR0METHEUSA user oriented programfor human crash dynamics / Report N BCS 40038, Boeing computer services. Seattle: 1974. - 37 p.

67. Van Der Bogert A.J., Sauren A.A.H.J. Computer simulation o-f the equine HIND LIMB during locomotion / Abs. 1-st. Inter, symp. on computer simulation in biomechnics. -Warsaw: 1987. P.16-17.

68. Watanabe K.,0htsuki T. Postural changes and aerodynamic •forces in alpine skiing // Ergonomics. Vol 20(2), 1977. P.121-131.