Общее передаточное отношение в гребле
Передаточное отношение (или просто «передача») остается популярной, но противоречивой темой обсуждения в гребном сообществе. Каково же его правильное определение с точки зрения механики? Для любого механизма с трансмиссией, передача Rg равна отношению перемещений или скоростей на выходе к таковым на входе (Lout к Lin), которое обратно пропорционально отношению сил (Fin к Fout), что доказано законом Архимеда:
Rg = Lout / Lin = Fin / Fout (1)
Поэтому, чем больше выигрыш в скорости, тем больше потери в силе, и наоборот. А выигрыш в мощности невозможен по закону сохранения энергии. Важно помнить, что стандартное определения передачи – это отношение скоростей, но не сил , поскольку силы зависят от других факторов (трение, инерция частей механизма) и их труднее измерить.
В велосипеде, передача определяется, как его перемещение за один оборот педалей, и зависит от количества зубьев на каретке и на задней звездочке, а также от размера колеса: напр. при шестернях 52/13 и колесе 26”, велосипед пройдет 8,29м за оборот педалей, что даст 36,2 км/час при 80 об/мин. Для биомеханической точности, необходимо учитывать также длину шатунов: если они длиннее, педаль пройдет бОльшее расстояние за один оборот. При шатунах 175см, педаль проходит 1,10м за оборот, поэтому, общая передача велосипеда будет 7,55:1, т.е. велосипед пройдет 7,55м на каждый метр перемещения педалей.
Как мы обычно определяем передачу в гребле? Большинство
гребцов используют длину весла (измеряют от конца рукоятки до внешней кромки
лопасти, Рис.1) и внутренний рычаг (от конца рукоятки до внешней кромки
каблука), затем вычисляют внешний рычаг, вычитая внутренний из длины весла, и
передачу = внешний/внутренний рычаги. Однако, передача определенная таким
образом не будет правильной поскольку:
1. Усилие на рукоятке прикладывается не к ее концу, а к середине, поэтому, действующий внутренний рычаг должен отсчитываться от этой точки, положение которой было принято в 6см от края рукоятки в парной гребле, и в 15см – в распашной.
2. Весло вращается не вокруг края каблука, а вокруг оси уключины, расположенной на некотором расстоянии, обычно в 2см, которое нужно добавить к действующему внутреннему рычагу и вычесть из внешнего.
3. Центр давления воды расположен не на внешней кромке лопасти, а близко к ее центру, откуда и должен отсчитываться действующий внешний рычаг. Поэтому, статическая передача весла рассчитывается, как отношение действующих внешнего Lout.a и внутреннего Lin.a рычагов:
Oar gearing = Lout.a / Lin.a (2)
При типичном в парной гребле внутреннем рычаге 88см, длине весла 288см и лопасти 45см, действующая передача весла составит 2,089, а без необходимых поправок выше она будет 2,273, что на 8,8% тяжелее.
Чем короче внутренний рычаг и длиннее весло/внешний рычаг, тем тяжелее передача, и наоборот: при 87/289 и той же длине весла, действующая передачу составит 2,139 (на 2,4% выше/тяжелее), при 89/286 она будет 2,029 (2,9% ниже/легче). Поскольку действующая передача зависит от длины лопасти, она должна учитываться: напр., с новой укороченной лопастью Concept2 “Comp” 37см длиной и тех же 88/288, что и выше, передача составит 2,137, что на 2,3% выше-тяжелее, чем со стандартной лопастью длиной 45см.
Статическая передача весла определяет лишь часть общей цепи передачи мощности, которая достаточно сложна в гребле. Для определения общей передачи гребного «транспортного средства» (системы лодка-гребец) аналогично таковому с автомобилями и велосипедами (как отношение скорости средства к скорости движения двигателя-гребца), следует учитывать следующие факторы:
1. Весло отключается от передачи через воду в фазе подготовки. Если велосипедист прекращает педалирование при движении под гору или по инерции, тогда его велосипед пройдет бОльшее расстояние за один оборот педалей, чем это определено установленной передачей. Этот фактор может меняться случайным образом, поэтому в реальных условиях, количество оборотов педалей на километр пути будет всегда разным. В гребле, расстояние пройденное по инерции в фазе подготовки также случайно и зависит от специфики команды (ритма, темпа гребли, величины усилий и т.п.) и от погодных условий (встречный или попутный ветер). Поэтому, прокат лодки за гребок или отношение темпа к скорости не могут корректно определить общую передачу в гребле. Расстояние пройденное лишь в фазе проводки подойдет для этой цели, но оно требует биомеханических измерений.
2. Лопасть весла работает в воде, которая является жидкостью и не обеспечивает жесткой связи между гребным транспортным средством и внешней средой, в противоположность автомобилям и велосипедам (хотя колеса и там могут буксовать на скользкой поверхности). Поэтому, сплывание лопасти должно вычитаться из скорости на выходе, что делает греблю медленнее относительно воды, а передаточное отношение ниже-легче. Увеличение площади лопасти обычно уменьшает ее сплывание и делает передачу выше-тяжелее, и наоборот. Сплывание снижает КПД лопасти, поскольку часть энергии расходуется на движение воды вместо продвижения гребного транспортного средства: это похоже на езду на велосипеде с постоянно буксующими колесами. КПД лопасти находится в пределах 70-90% в зависимости от типа лодки и весла, погодных условий, траектории лопасти в воде, что делает общую передачу на 10-30% легче.
3. В противоположность колесам автомобилей и велосипедов, которые толкают поверхность прямо назад, движение лопасти через воду криволинейно, и направлено назад лишь при перпендикулярном положении весла к оси лодки. Во всех других точках проводки, лопасть двигается под различными углами к направлению движения гребного средства, что создает «эффект клина» (НБГ 2014/06): продвигающий компонент усилия снижается, но скорость лопасти относительно воды увеличивается, что означает более тяжелую передачу. Поскольку угол весла постоянно меняется на проводке, передача также меняется, поэтому этот эффект получил название «динамической передачи весла» (НБГ 2007/03). Похожий эффект можно встретить во многих других локомоциях: коньках и лыжах, плавании, полете птиц, в парусных судах и т.д. (НБГ 2019/12). Чем дальше весло от перпендикуляра к оси лодки, тем тяжелее становится передача: при угле 60 о статическую передачу весла следует умножить на два, при 70 о – на три. Это означает, что динамическая передача имеет близкое или даже более значительное влияние, чем статическая передача весла: каждый добавленный 1 о угла в захвате увеличивает передачу также, как на 1см более длинный внешний рычаг, или на 0,5см укороченный внутренний рычаг .
Гребля в пол-подъезда облегчает передачу примерно на те же 12%, что и при укорочении на 15см внешнего рычага/ длины весла. Гребцы обычно используют это на старте гонки для увеличения ускорения гребной системы, или на финише, для облегчения гребли на фоне утомления. Для понимания и контроля реальной передачи при гребле, важно знать и контролировать углы весла , в чем могут помочь наши простые Ориентиры Углов Весла BioRow, или измерительные уключины NK EmPower.
Многие гребцы и тренеры до сих пор определяют передачу через размах/вынос оси уключины, что полностью неправильно с точки зрения механики: перемещение оси вращения просто сдвигает все весло ближе или дальше от лодки, а его передача не меняется. Однако, размах/вынос имеет сильное косвенное влияние на передачу, который гребцы реально ощущают, и это делает данную идею такой живучей.
Во-первых, размах/вынос меняет геометрию соединения весло-рука гребца (Рис.2,а): более узкий размах увеличивает угол весла α, и поэтому делает динамическую передачу тяжелее, и наоборот . Также, это меняет угол β между рукой гребца и веслом: сдвиг уключины внутрь делает его острее, что снижает нормальный компонент усилия на рукоятке Fn и его вращающий момент. Поэтому, более узкий вынос работает, как укороченный внутренний рычаг и делает передачу еще тяжелее; увеличение размаха делает передачу легче вследствие этого косвенного влияния . Однако, это работает лишь при длинных углах весла в захвате, и никак не влияет с середине проводки.
Во-вторых, в распашной гребле, особенно в двойке, вынос работает, как рычаг вращающего момента относительно центра лодки (Рис.2,b). Более широкий вынос сдвигает линию силы дальше от центра лодки, что делает ее рычаг длиннее и вращающий момент больше при одинаковой силе тяги гребца. Поэтому, гребец с бОльшим размахом имеет преимущество в повороте лодки от своей стороны, и ощущается, как облегченная передача.
Пытаясь определить общую передачу в гребле (как отношение скорости движения к скорости двигателя-гребца), существует еще одно отличие от других транспортных средств, в которых двигатель жестко зафиксирован относительно трансмиссии. Гребцы значительно перемещаются относительно лодки, поэтому их перемещение и средняя скорость на проводке отличаются от таковых для лодки. Что же следует принять за скорость для гребного транспортного средства? Скорость лодки? Или гребца(ов)? Или, центра массы (ЦМ) всей системы? Имея биомеханические данные перемещений и скоростей рукоятки, лодки и ЦМ гребца, возможно вычислить мгновенные величины передачи (Рис.3) и средние значения за проводку (Табл.1).
Поскольку на проводке гребец двигается быстрее лодки и
проходит бОльшее расстояние, его передачи получается тяжелее, чем для лодки. В
захвате и в конце проводки, общая передача значительно тяжелее, чем ее
статическое значение для весла (черная линия, 2,089 в этом случае при весле 88/288)
из-за влияния динамической передачи. В середине проводки, общая передаче легче
по причине сплывания весла в воде, общая длина которого была 0,57м в этом
случае. Поэтому, без сплывания лопасти, передача была бы на 15,5% тяжелее для
лодки, и на 13,5% тяжелее для гребца. Путь пройденный гребной системой за цикл
гребка был в этом случае 8,38м (одинаков для лодки и гребца), и если мы отнесем
его к перемещению рукоятки, общая передача за цикл будет 5,48.
В сравнении с велосипедом, гребная передача на проводке соответствует таковой для езды в гору, скажем 34/23 при колесах 26”, но с педалированием лишь на пол-оборота и затем с движением по инерции. Сравнение общей передачи в гребле за цикл аналогично средней передаче в велосипеде, напр., 53/19.
Недавно, мы разработали Фактор Сопротивления на Рукоятке HDF (НБГ 2020/04-5) и его модификацию масс-эквивалент МЕ, которые показывают «фактор тяжести» в гребле и могут быть использованы для оценки передаточного отношения в различных условиях погоды, в разных типах лодки и при изменении настройки.
©2020 Валерий Клешнев
