Эффект вращения лопасти в воде
В предыдущем НБГ 2021/10, была высказана гипотеза о том, что вращение лопасти в воде на проводке может потреблять энергию и снижать продвигающую силу/мощность в системе лодка-гребец, а здесь – дальнейший анализ этого эффекта. Новые разработки BioRow позволили измерить многие переменные различными датчиками для перекрестной валидации методов. Напр., нормальное усилие на рукоятке было измерено одновременно методом сравнения двух моментов на внутреннем рычаге Fh(M) (НБГ 2020/10) и напрямую 4D датчиком внутри рукоятки весла Fh(F) (НБГ 2021/06).
Сравнение данных (Рис.1, M1x, 34.5гвм, Fat2) показало почти одинаковые кривые усилий и очень близкие средние значения (±0.5%), что подтверждает валидность и точность этих двух методов. Аналогичная кросс-валидация была проведена для нормальных усилий на лопасти: они измерялись с помощью двух моментов на внешнем рычаге Fb(M) и как разница Fb(F) между нормальными усилиями на уключине Fg и рукоятке Fh(F):
Fb(F) = Fg - Fh(F) (1)
Сравнение данных показало очень различные результаты (Рис.2,а): сила на лопасти определенная через изгиб весла была значительны выше, чем через датчики уключины-рукоятки, особенно в середине проводки, с меньшими различиями после захвата и перед ее концом. Сравнивая загребное-баковое весла, похоже, что потери силы от лопасти к системе уключина-рукоятка связаны с глубиной погружения (b-c): баковая лопасть погружалась глубже после захвата и там же были выше ее потери (1), загребная была глубже перед концом – с бОльшими потерями там же (2). В среднем за проводку, Fb(F) была на 19% ниже, чем Fb(M) у загребного весла и на 21% - у бакового.
Для объяснения этого феномена, представим, что лопасть вращается в воде вокруг ее геометрического центра, остающегося неподвижным (Рис.3). Тогда, две половины лопасти создадут равные и противоположно направленные силы реакции: силу вперед Fforw на ее внешней половине и силу назад Fback – на внутренней, так что общая продвигающая сила будет равна нулю. Однако, Fforw имеет более длинный внешний рычаг, чем Fback, и это означает, что Fforw создает бОльший вращающий момент на оси, чем Fback (момент равен произведению силы на ее рычаг). Следовательно, общий момент на лопасти не равен нулю, что изгибает весло и может быть интерпретировано, как продвигающая сила на лопасти, тогда как реальная сила двигающая систему равна нулю.
Конечно, в реальной гребле, центр лопасти всегда подвижен, но эффект аналогичный. Обычно, от -40о до +20о угла весла, ось вращения расположена на лопасти (Рис.4), поэтому ее внешняя часть двигается назад создавая силу реакции вперед, а внутренняя – двигается вперед создавая заднюю силу. За проводку, внутренние части лопасти всегда двигаются вперед дальше, чем внешние (Sinner>Souter), создавая больше торможения, но их рычаг короче, поэтому и меньше вклад во вращающий момент, чем для внешних частей. Также, части оси весла всегда двигаются вперед еще быстрее и могут создавать значительную тормозящую силу, если погружены в воду. Это объясняет почему сила на лопасти, определенная через моменты была завышена и центр давления был смещен от геометрического центра лопасти – к ее внешней кромке (НБГ 2020/10). Также, это решает загадку из НБГ 2014/02, где отношение сила на рукоятке/уключине было переменным на проводке и для различных профилей погружения лопасти.
Рассуждения выше относятся лишь части продвигающей силы связанной с сопротивлением. Сила гидро-лифта может создавать продвижение даже когда лопасти движется вперед. Поэтому, различия на Рис.2,b были наибольшим в середине проводки, когда сопротивление доминирует, но были ниже после захвата, когда значителен гидро-лифт, и даже были отрицательны перед концом проводки (3).
В заключение, впервые нам удалось экспериментально оценить потери силы/мощности вызванные вращением лопасти в воде. Еще предстоит работа для решения были ли ~20% различий в силах реальными потерями, или лишь завышением силы на лопасти измеренной методом вращающих моментов. Надеемся, что полноценная оценка КПД лопасти и сравнение ее различных типов и техник гребли будут скоро представлены…
©2021 Валерий Клешнев
