Осевая сила на лопасти

Точная механика работы весла была проанализирована в НБГ 2020/12, были обнаружены расхождения в продвигающих силах, определенных на лопасти и для системы лодка-гребец, и была выдвинута гипотеза о возможном влиянии осевой силы на лопасти. С того времени, мы испытали различные способы измерить эту осевую силу напрямую через датчик встроенный в ось весла около лопасти. Однако, попытки оказались неудовлетворительными по причине наводок от большого изгибающего момента нормальной силы на лопасти. Поэтому, было решено определять осевую силу на лопасти Fba косвенно, как разницу между осевыми силами на рукоятке Fha и на уключине Fga :

Fba = Fha – Fga (1)

Для этой цели, в BioRow был разработан новый тип датчика (Рис.1), который встроен в рукоятку весла и может измерять 4D усилия на ней:

Осевую силу на рукоятке Fha;
Горизонтальную (при накрытой лопасти) Fhx;
Вертикальную (при накрытой лопасти) силу Fhy;
Скручивающий момент на рукоятке Mh.

После испытаний датчика и анализа данных, было обнаружено, что уравнение не так просто, как выше (1). Причина – изгиб оси весла Abend (Рис.2), который делает угол лопасти отличным от угла оси уключины относительно лодки. Это означает, что нормальная сила на лопасти Fbn, перенесенная через ось весла, становится не перпендикулярна оси уключины, и может быть разложена на два компонента: нормальный Fgn(Fbn) и осевой Fga(Fbn), который должен быть учтен в уравнении:

Fga(Fbn) = Fbn sin(Abend) (2)

Реальное осевое на лопасти Fba создаваемое потоком воды также переносится через ось весла на уключину Fga(Fba) под небольшим углом к ней:

Fga(Fba) = Fba cos(Abend) (3)

Общее уравнение использованное для расчета осевой силы на лопасти Fba из измеренных осевых сил на уключине Fga и рукоятке Fha получилось такое:

Fba = (Fha –(Fga + Fbn*sin(Abend)))/cos(Abend) (4)

Нормальная сила на лопасти Fbn в этом уравнении была определена из измеряемых моментов на оси весла (см. НБГ 2020/10), а угол изгиба оси весла Abend – через эту же силу Fbn и коэффициента жесткости для каждого весла.

Данные были получены в М1х (1.85м, 88кг) при выполнении шести отрезков по 15-20 гребков каждый в ступенчато-возрастающем темпе от 20 до 40 гвм. Рис.3 показывает полученные осевые силы на правом (порт) весле при темпе 35.5 гвм:

Как и ожидалось, осевая сила на рукоятке Fha оказалась значительно выше, чем на уключине Fga, небольшую часть разницы (макс. 25N) можно объяснить перенесенным осевым компонентом нормальной силы на лопасти Fga(Fbn), а основная часть (макс. 75N) должна быть отнесена к реальной осевой силе на лопасти Fba.

Рис.4 показывает реальную осевую силу на лопасти Fba на правом (порт) весле при различных темпах гребли, совместно с профилем работы лопасти в воде:

В первой половине проводки, осевая сила на лопасти Fba была всегда направлена внутрь (от лопасти к уключине), и ее величина возрастает с темпом гребли от 20Н до 60Н, что можно хорошо объяснить возрастанием сопротивления воды с повышением скорости гребли. После перпендикуляра весла, осевая сила на лопасти Fba направлена наружу при низком темпе, что также можно объяснить сопротивлением воды, но на высоких темпах, она остается направленной наружу до конца проводки, хотя и с меньшими величинами до 20Н. Этот факт требует дальнейшей интерпретации, и мы можем лишь предположить, что это связано с профилем работы лопасти в воде: при возрастании темпа, он становится более глубоким после захвата, но мельче – перед концом проводки.

Заключая, осевая сила на лопасти была найдена довольно значительной: она может создать до 70Н тормозящее усилие на двух веслах при углах 55град, что сопоставимо с сопротивлением корпуса лодки. Поэтому, сопротивление лопасти при ее осевом движении через воду должно быть минимизировано.

Благодарю компанию Concept2 Inc. и лично Дика Дрессигакера и Алекса Данна за проявленный интерес и поддержку этого исследования.

Теги: Осевая сила на лопасти