История измерения усилий в гребле

Возраст измерения усилий в гребле старше, чем современные Олимпийские Игры: первое исследование военного врача Леона Пассовера из Сакнт-Петербурга – тогда столицы России, было опубликовано в 1893 г. (1). В нем усилие гребца приложенное к рукоятке регистрировалось через изгиб весла с помощью системы механических рычагов, смонтированных на весло (из 10). В 1896 г. была опубликована работа британца Аткинсона (2), а затем в 1904 г. – француза Ле-Февра (3), схему устройства из которого (Рис.1,а) можно найти во всестороннем обзоре Даль-Монте (9): усилия на уключине измерялись посредством пружины в вертлюге, соединенной через гидравлическую систему с рычажком осциллографа. Похожий дизайн, но с использованием тензо-датчиков (Рис.1,b) был использован Фолькером Нольте в 1980 (7). Обе уключины измеряли лишь позитивное продвигающее усилие, а отрицательная сила не учитывалась, хотя она могла быть полезна для обнаружения технических ошибок и биомеханического моделирования баланса сил в целостной системе лодка-гребец.

После изобретения тензо-датчиков в 1938 г., они широко использовались для измерения усилий в гребле (4, 5, 6). Тензо-датчики обычно клеились прямо на ось весла, которое работало, как упругий элемент и измерялся его изгиб, который прямо пропорционален усилию на рукоятке, развиваемого гребцом. Однако, было невозможно использовать одни и те же датчики на разных веслах, что сделало этот метод достаточно затратным по материалам и трудоемкости.

Наша история разработок в биомеханике гребли началась в 1987 г., когда был создан первый прототип измерительной уключины. Он был основан на двух тензо-кольцах (Рис.2,1), которые вращались через вкладыши на специальном кронштейне (2) и соединялись с частью штатной оси (3) с установленным на ней пластиковым вертлюгом (4). Аналогично дизайну Нольте, угол поворота измерялся потенциометром (5), установленным наверху кронштейна и соединенного с вертлюгом при помощи небольшого рычага (6). Эта уключина измеряла все усилия прикладываемые веслом (как позитивные, так и негативные) и позволяла настраивать накрытие штатным образом. Недостатками являлись необходимость заменять оригинальную ось и тяжелый, громоздкий кронштейн.

Следующая модель появилась довольно скоро, в 1988 г. и была запатентована (8). Структура из четырех тензо-колец (Рис.3, 1) включала в себя потенциометр (2) для измерения угла поворота, который соединялся с неподвижной осью (3) через зубчатую передачу (4). Достоинствами этой конструкции были возможность использовать штатную ось и компактные размеры; недостатки – изделие было довольно тяжелым, сложным в изготовлении, и поэтому дорогим, и не имела настройки накрытия.

Интересно, что ссылка на нашу разработку 1988 г. можно найти в патенте Пола Хейнса (11) на измерительную уключину, чей дизайн полностью отличен от нашего прототипа. Эта уключина используется в системе Peach Innovations и является единственной известной нам разработкой, измеряющей усилия относительно лодки и связанной с ней системы координат. Эта сила в направлении нос-корма была названа «продвигающей силой», что обсуждалось ранее, см. НБГ 2010/03.

Наш третий дизайн появился в 1992 г. (Рис.4,а) и работал с электронным блоком (1), разработанным В.Н.Комаровым из московского НИИ Радиосвязи. Система из уключины и электроники рассчитывала мощность гребли из измеренных усилий и угла поворота уключины, и показывала эти величины в лодке в реальном времени. Специальная ось внутри вертлюга (2) работала, как упругий элемент с тензо-датчиками. Ось вращалась в подшипниках установленных в кронштейне (3), и ее верхний конец соединялся с потенциометром (4) для измерения угла поворота. Вертлюг крепился к оси двумя винтами (5), которые обеспечивали настройку накрытия. Также, уключина позволяла измерять вертикальный угол весла с помощью второго потенциометра (6), установленного на вертлюге и связанного с веслом рычагом. В 2001 г. эта модель была лицензирована австрийской компании WEBA-Sport и выпускалась в составе ее системы Row-X (Рис.5,b).

Наше третье поколение уключин работало достаточно успешно, но единственные их недостатком была необходимость замены штатной оси, поэтому было невозможно их использование с новыми типами отводов, в которых ось монтируется с двух концов в С-образном держателе. Для решения этой проблемы, в 2005 г. была создана четвертая конструкция, в которой сохранялась штатная ось и имелась возможность использования с любым типом отводов. Эта модель была основана на П-образном упругом элементе с отверстиями в виде бинокля, где клеились тензо-датчики (2). Элемент вращался на оси на концевых втулках (3), и соединялся с вертлюгом в середине через клинья для настройки накрытия (4). Эта уключина могла измерять обе нормальную и аксиальную силы с помощью отверстий с тензо-датчиками в вертикальной и горизонтальной (5) частях. Углы измерялись на весле с помощью 2D датчика, установленного на верху оси и соединенного с веслом через рычаг и держатель (Рис.6, b). Поэтому, это было отдельное устройство от уключины, что могло рассматриваться, как недостаток.

Пятое поколение наших измерительных уключин было разработано в 2011 (Рис.7,а), и ее компактная структура содержит цилиндрический упругий элемент для 2Dизмерения усилий (могут быть измерены нормальная и аксиальная компоненты силы на уключине), а также магнетометр для измерения угла поворота (магнит фиксируется на оси под уключиной). Уключина вращается на втулках на штатной оси, поэтому ее можно использовать с любым типом отводов. Первая проводная версия этого прибора использовалась с измерительной системой BioRowTel. Затем в 2013 г., эта конструкция была лицензирована компании Nielsen-Kellerman и стала основой для разработки беспроводной уключины EmPower (Рис.7,b).

Устройства для измерения других сил в гребле (на рукоятке весла, на подножке и банке) разрабатывались параллельно с измерительными уключинами, и будут представлены в будущий публикациях.

Литература

1. 1893. Passover L.P. How rowing affects lower extremities and the rower's performance. Thesis at Sankt-Peterburg Medical Academy (from Zatsiorsky).
2. 1896. Atkinson E. A rowing indicator. Natural Science. 8. 178. (from Dal Monte, 1).
3. 1904. Le Feuvre and Pailliote. Elude graphique du coup d'aviron en canoe Bull. de l'Association Techn. Maritime. Paris. 115. (from DalMonte, 1).
4. 1966. Shvedov A.M., Shebuev A.N. Rowing technique. In Grebnoi sport [Rowing sport] (pp. 18-38). Moscow: FiS.
5. 1968. Ishiko, T. Application of telemetry to sports activities. In J. Wartenweiler, E. Jokl, & M. Hebbelinck (Eds.), Biomechanics I (pp. 138-146). Basel/New York: Karger.
6. 1968. Lazareva A.M., Zhigalov J.A., Morzhevikov N.V. Strength aspect in oarsmen's performance. Theory & Practice of Physical Culture, 9, 15-18.
7. 1985. Nolte V. Die Effektivitat des Ruderschlages. Banels & Wernitz.
8. 1988. Kleshnev V.. Device for power measurement in rowing. Patent of USSR N 1650171.
9. 1989. Dal Monte A., Komor A. Rowing and sculling mechanics. In C.L.Vaughan (Ed.), Biomechanics of sport (pp. 53-119). Boca Raton, FL: CRC Press
10. 1991. Zatsiorsky V.M., Yakunin N. Mechanics and biomechanics of rowing: A review. International Journal of Sport Biomechanics, 7, 229-281.

©2018 Валерий Клешнев