гантель "динга"

Формула изобретения

Гантель, содержащая установленные на грифе рукоятку, основную массивную часть и две пружины, одна из которых связывает рукоятку с основной массивной частью, отличающаяся тем, что она имеет дополнительную массивную часть, при этом массивные части закреплены на концах грифа, рукоятка свободно установлена на грифе с охватом его, а вторая пружина связывает рукоятку с дополнительной массивной частью, при этом суммарная жесткость пружин и длина рабочего хода каждой из них от равновесного положения рукоятки до крайнего находятся в следующей зависимости:

C = 4 ² f²(KB-P)/g,

r = K_p g/(4² f²),

где C средняя суммарная жесткость пружины, Н/м;

B, K постоянные величины, равные соответственно среднему весу человека, Н, и коэффициенту пропорциональности веса гантели весу человека K=0,03 - 0,05);

P вес рукоятки гантели, Н;

g ускорение силы тяжести, м/с²;

f заданная частота колебаний линейной силовой нагрузки, Гц (f=2 20 Гц);

r минимальная длина рабочего хода каждой пружины от равновесного положения рукоятки до крайнего, м;

K_р= 2-4 постоянная, равная максимальной перегрузке массивных частей при колебаниях вдоль грифа.

2. Гантель по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена упругими оболочками, укрепленными на внешних сторонах массивных частей.

3. Гантель по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена страховочными канатами, соединяющими массивные части.

4. Гантель по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена упругими гофрированными трубками, соединяющими массивные части с рукояткой, при этом пружины размещены в трубках.

5. Гантель по п. 1, отличающаяся тем, что пружины выполнены винтовыми.

6. Гантель по п. 1, отличающаяся тем, что пружины выполнены коническими, при этом отношение жесткостей концевых участков каждой из них находится в пределах 1 7.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к физической культуре и спорту и может быть использовано в качестве тренажера для общей физической подготовки спортсменов и населения.

Известен спортивный снаряд, содержащий две массивные части, жестко соединенные стержнем [1]

Недостатком известного устройства является отсутствие возможности создания колебательных нагрузок и обеспечения, т.о. повышенной частоты силового взаимодействия спортсмена и снаряда, т.е. ограниченность структуры силовых воздействий во время тренировки.

Известна гантель, содержащая установленные на грифе рукоятку, массивную часть и две пружины, одна из которых связывает рукоятку с массивной частью [2]

Недостатком известного устройства является появление при выполнении упражнений избыточных моментных нагрузок на кисти рук вследствие асимметричного распределения массы устройства относительно места хвата (рукоятки). При отклонении продольной оси устройства от вертикали на кисть руки занимающегося действует крутящий момент, обусловленный смещением массивной части относительно рукоятки и являющийся вредным фактором, т.к. он переключает нагрузку на незаданные для выполняемого упражнения мышцы спорстмена.

Этот недостаток не может быть устранен в рамках конструкции известного устройства, т. к. уменьшение смещения массивной части от рукоятки ограничивает длину рабочего хода пружин. Это приводит либо к увеличению частоты колебаний от номинального значения, что недопустимо, т.к. для отдельных групп упражнений задается определенное значение частоты при увеличении жесткости пружин, либо при сохранении жесткости к ограничению амплитуды колебаний, что также недопустимо, т.к. при номинальной амплитуде колебательной нагрузки массивная часть будет ударять о рукоятку и буртик, что значительно снижает комфортность и эффективность занятий, а при амплитуде, меньшей чем номинальная, уменьшится интенсивность энергетического обмена спорстмена со снарядом.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности тренировки за счет уменьшения моментной нагрузки на кисть руки при сохранении заданной частоты и амплитуды колебаний линейной силовой нагрузки.

Указанный технический результат достигается тем, что известная гантель снабжена дополнительной массивной частью, при этом массивные части закреплены на концах грифа, рукоятка свободно устаноавлена на грифе с охватом его, а вторая пружина связывает рукоятку с другой массивной частью, при этом суммарная жесткость пружин и длина рабочего хода каждой из них от равновесного положения рукоятки до крайнего находятся в следующей зависимости:

C=4 x ² x f² x (K x B-P)/g;

r=Kp x g/(4 x ² x f²), где С средняя суммарная жесткость пружин, Н/м;

B, K постоянные величины, равные соответственно среднему весу человека, Н, и коэффициенту пропорциональности веса гантели весу человека (К=0,03-0,05);

P вес рукоятки гантели, Н;

g ускорение силы тяжести, м/с²;

f заданная частота колебаний линейной силовой нагрузки, Гц (f=1-20 Гц);

r минимальная длина рабочего хода каждой пружины от равновесного положения рукоятки до крайнего, м;

Кp постоянная, равная максимальной перегрузке массивных частей при колебаниях вдоль грифа (Кр=2-4);

3,14.

Гантель может быть снабжена упругими оболочками, укрепленными на внешних сторонах массивных частей.

Гантель может быть снабжена страховочными канатами, соединяющими массивные части с упругими гофрированными трубками, соединяющими массивные части с рукояткой, при этом пружины размещены в трубках. Пружины могут быть выполнены винтовыми и коническими с соотношением жесткостей концевых участков, находящимся в пределах от 1 до 7.

На фиг. 1 представлен общий вид динамической гантели "Динга"; на фиг. 2 гантель с упругой оболочкой на массивных частях; на фиг. 3 гантель со страховочными канатами; на фиг. 4 гантель с гофрированными трубками; на фиг. 5 гантель со сменными грузами; на фиг. 6 схема действия статических нагрузок в предлагаемой конструкции гантели "Динга"; на фиг. 7 схема действия статических нагрузок в известной конструкции устройства для тренировки.

Динамическая гантель "Динга" (фиг. 1) содержит рукоятку 1, массивные части 2 и 3, гриф 4, винтовые пружины 5 и 6. Массивные части 2 и 3 закреплены на торцах грифа 4. Рукоятка 1 охватывает гриф 4 и установлена на нем соосно с возможностью перемещения по направлению его продольной оси. Пружины 5 и 6 установлены соосно грифу 4 и опираются своими концами на рукоятку 1 и массивные части 2 и 3 соответственно. Рукоятка 1 имеет возможность ограничиваемого пружинами 5 и 6 перемещения по грифу 4.

Средняя суммарная жесткость пружин и длина рабочего хода каждой пружины от равновесного положения рукоятки до крайнего определяются следующими соотношениями:

C=4 x ² x f² x (K x B-P)/g;

r=Kp x g/(4 x ² x f²), где С средняя суммарная жесткость пружин, Н/м;

B, K постоянные, равные соответственно среднему весу человека, Н, и коэффициенту пропорциональности веса гантели весу человека (K=0,03-0,05);

P вес рукоятки гантели, Н;

g ускорение силы тяжести, м/с²;

f заданная частота колебаний линейной силовой нагрузки, Гц, (f=1-20 Гц);

r минимальная длина рабочего хода каждой пружины от равновесного положения рукоятки до крайнего, м;

Kp постоянная, численно равная максимальной перегрузке массивных частей при колебаниях вдоль грифа

(Kp=2-4);

3,14.

Приведенные соотношения вытекают из следующих соображений.

При гармонических колебаниях

r=ro x sin (W x t), где ro амплитуда;

W круговая частота;

t время,

ускорение a колеблющегося тела равно

a= = ra W sin(Wt) (1)

Максимальная нагрузка (амплитуда нагрузки) при этом составляет

PO=m x a m x ra x w², (2) где m масса колеблющегося тела.

Исходя из опыта тренировок, PO целесообразно задавать в виде перегрузки, т.е. превышения основной нагрузки (веса самого снаряда).

PO=Kp x Pг, (3)

где Kp=2-4.

Из выражений (2), (3) следует, что амплитуда колебаний при заданной частоте составляет

ra=Kp x g/(4 x ² x f²), (4) где f частота.

Для обеспечения колебаний с заданными параметрами достаточно, чтобы длина r рабочего хода каждой пружины от равновесного положения рукоятки до крайнего равнялась ra (при меньших значениях начнутся удары частей 2 и 3 о рукоятку при неполной нагрузке, а при больших длина гантели будет неоправданно велика, хотя требование к масимальной длине гантели не является жестким, что позволяет ограничить величину r только снизу). Это условие и описывается приведенным в формуле соотношением.

С другой стороны, для обеспечения заданной частоты f, которая для различных упражнений составляет от 1 до 20 Гц, например, Агашин Ф.К. Биомеханика ударных движений. М. "Физкультура и спорт", 1977, с. 26), суммарная жесткость пружин должна быть равна (например, Ольховский Л.И. Курс теоретической механики, М. Наука, 1970, с. 30, 31)

C=m x 4 x ² x f², (5) где m масса колеблющейся части снаряда.

Исходя из опыта спортивных занятий, общий вес гантели Р_г можно определить соотношением

Р_г=К х В, (6)

где В средний вес человека, Н;

К коэффициент пропорциональности, К=0,03-0,05 и выбирается, исходя из соблюдения условий комфортности занятий и достижения при необходимости значительных усилий, обеспечивающих тренировочный эффект, при этом малые значения коэффициента К рекомендуются для женщин и подростков, средние для практически здоровых мужчин, а большие для спортсменов.

Исходя из того, что вес pp колеблющейся части снаряда определяется как

pp=P_г-P, (7) где Р вес рукоятки гантели,

с учетом выражений (5) (6) (7) можно по-лучить соотношение

С=4 х ² х f² x (K x B-P)/g.

Массивная часть 2 (или часть 3, или и та, и другая) может быть снабжена с внешней стороны упругой оболочкой 7 (фиг. 2), в которой может быть выполнена внутренняя герметичная полость 8, заполненная воздухом.

Массивные части гантели могут быть соединены между собой страховочными канатами 9 и 10 (фиг. 3).

Пружины 5 и 6 могут быть закрыты упругими гофрированными трубками 11 и 12 (фиг. 4), первые концы которых соединены с массивными частями 2 и 3, а вторые с соответствующим концом рукоятки 1.

Пружины 5 и 6 могут быть выполнены коническими, при этом отношение жесткостей на концах пружин со стороны малого и большого диаметров составляет 1-7.

Принцип действия динамической гантели "Динга" заключается в следующем.

Занимающийся держит в руке динамическую гантель за рукоятку 1 и совершает руками движения в соответствии с типовыми упражнениями, предназначенными для работы с гантелями.

В заданном (или произвольно выбранном) положении занимающийся может активизировать гантели (или одну из них) путем импульсного (резкого) рывка гантели в направлении ее продольной оси. При этом нарушается равновесие пружин 5 и 6, что вызывает синхронные колебания массивных частей 2 и 3 относительно равновесного положения.

В результате колебаний массивной части занимающийся испытывает колебательные (близкие к гармоническим) воздействия нагрузки со стороны рукоятки 1 в направлении продольной оси гантели, амплитуда которых определяется силой начального рывка, а частота жесткостью пружин 5 и 6. Каждое колебание оказывает воздействие на биомеханический аппарат человека, вызывая его адаптацию как к отдельным колебаниям, так и ко всей серии колебаний.

Возникающий в этом случае волновой процес обмена энергией между занимающимся и динамической гантелью наиболее эффективно способствует согласованию действия всех звеньев биомеханического аппарата занимающегося. При этом вследствие того, что распределение массы гантели относительно места хвата (условно местом хвата можно считать середину рукоятки 1) близко к симметричному, и моменты от сил тяжести Pm массивных частей гантели взаимно компенсируются, фиг. 6 (в отличие от прототипа, где центр масс снаряда значительно смещен от места хвата, фиг. 7), воздействие колебательной нагрузки не сопровождается большими моментными нагрузками на кисть руки, т.е. "выворачиванием" кисти и переключением нагрузки на незаданные для выполняемого упражнения мышцы (что характерно для прототипа, в котором возникает постоянно действующий крутящий момент М (фиг. 6).

Колебания происходят с оптимальной для выполняемого упражнения частотой. При этом спортсмен может контролировать максимальную нагрузку (т.е. амплитуду силовых колебаний), в случае превышения заданной величины массивные части начинают бить по рукоятке.

Упругая оболочка 7 на внешних сторонах массивных частей 2 и 3 (фиг. 2) с внутренней герметичной полостью 8 предохраняет от возможных ушибов и, кроме того, позволяет использовать динамическую гантель в качестве массажера.

Соединение массивных частей 2 и 3 гантели между собой страховочными канатами 9 (фиг. 3) предохраняет от падения массивных частей 2 и 3 при поломке грифа 4.

Применение упругих гофрированных трубок 11 и 12 (фиг. 4) не создает помех колебаниям массивных частей гантели и в то же время исключает возможность случайного защемления рук занимающегося пружинами 5 и 6.

Выполнение пружин в виде конических облегчает инициацию колебаний и в то же время смягчает удары массивных частей 2 и 3 о рукоятку 1.

Конструкция гантели обеспечивает возможность использования сменных грузов 13 и 14 (фиг. 5), которые можно устанавливать как на массивных частях 2 и 3, так и на рукоятке 1, что позволяет расширить диапазон нагрузок при использовании одной и той же гантели.

Таким образом, совокупность новых признаков динамической гантели позволяет реализовать различные силовые воздействия (как типичные для такого класса спортивных снарядов статические, так и колебательные) на человека в процессе занятий, причем обеспечивает возможность задания колебательных силовых нагрузок без избыточных моментных нагрузок на кисти рук (за счет близкого к симметричному распределения массы гантели относительно места хвата) с требуемой для того или иного упражнения частотой и амплитудой колебаний и возможностью контроля максимальной нагрузки (при условии, что длина рабочего хода равна минимально допустимой).

П р и м е р. Конкретный пример выполнения гантели "Динга".

Вес занимающегося 60 кг 600 Н;

категория занимающийся со средней подготовкой

К=0,03, Кр=4;

упражнения для тренировки мышц предплечий

f=5 Гц.

В формуле жесткости пружин

C=4 x ² x f² x (K x B-P)/g

требуется доопределить значение P. Выбирают значение

P=5 Н.

Средняя суммарная жесткость пружин равна

C=4 x 3,14² x 5² x (0,03 x 600-5)/9,8= 1308 Н/м.

Минимальная длина рабочего хода равна

r=Kp x g/(4 x ² x f²)=4 x 9,8/

/(4 x 3,14² x 5)²=0,04 м.

Средняя жесткость C1 каждой пружины равна

C1=C/2=1308/2 (H/м)=650Н/м= 0,65 кг/см.

Задаваясь диаметром проволоки D=2 мм и числом витков n=20, длину пружины в сжатом состоянии можно рассчитать равной S=40 мм0,04 м. Рукоятка имеет длину l= 10 см= 0,1 м (по ширине ладони). Массивные части выполнены в виде дисков шириной l₁= 1 см=0,01 м, каждая весом p₁=(0,03 x 600-5)/2=6,5 Н0,65 кг. Длина рабочего хода пружин равна минимально допустимой. Т.о. общая длина гантели составляет

L0=2 x 0,01+0,04+2 x 0,04+0,1= 0,24 м 24 см,

а общий вес.

Р_г=0,03 х 600=18 Н 1,8 кг.

Учитывая практические трудности конструирования и изготовления динамических гантелей для индивидуального пользования и для каждого упражнения отдельно, рекомендуется выпускать динамические гантели с характеристиками, равными осредненным характеристикам определенных категорий, например значение веса человека задавать равным среднему весу спортсменов в какой-либо весовой категории, а частоту колебаний задавать равной средней для определенной группы упражнений частоте.

Предлагаемая конструкция динамической гантели "Динга" создает комфортные условия для занятий и обеспечивает возможность широкого применения его в оздоровительной работе с различным контингентом населения.