лыжа

Формула изобретения

1. Лыжа, имеющая сквозной канал, расположенный под острым углом в вертикальной плоскости к продольной оси лыжи и направленный от передней части лыжи к задней, отличающаяся тем, что ее поверхность скольжения состоит из плоских носкового и концевого участков, а также профилированного среднего участка, расположенного в зоне грузовой площадки, имеющего направляющие полозья по краям и представляющего собой выборку в поперечном сечении в форме трапеции, у которой меньшее основание вверху, причем выборка ограничена по длине передней и задней стенками, выполненными в виде плоскостей, из которых передняя сопряжена с носковым участком скольжения, а задняя плавно переходит в концевой участок скольжения, при этом вход сквозного канала расположен на верхней поверхности носкового участка лыжи, а выход у передней стенки профилированного участка.

2. Лыжа по п.1, отличающаяся тем, что в сквозном канале установлена трубка, один конец которой расположен над верхней поверхностью носкового участка и имеет плоскость среза, выполненную под острым углом и наклоненную к верхней поверхности в сторону носка, а другой конец своим срезом выполнен заподлицо с поверхностью выборки.

3. Лыжа по пп.1 и 2, отличающаяся тем, что трубка выполнена из материала более прочного, чем материал лыжи.

4. Лыжа по пп.1 3, отличающаяся тем, что выборка в поперечном сечении выполнена в форме прямоугольника.

5. Лыжа по пп.1 3, отличающаяся тем, что выборка в поперечном сечении выполнена в форме полуэллипса.

6. Лыжа по пп.1 5, отличающаяся тем, что выборка в продольном сечении имеет аэродинамический профиль.

7. Лыжа по пп.1 6, отличающаяся тем, что поверхность профилированного участка выполнена из износоустойчивого материала с чистотой обработки поверхности выше, чем чистота обработки поверхности скольжения.

8. Лыжа по пп.1 7, отличающаяся тем, что в передней части носкового участка скольжения по его длине выполнена открытая спереди выборка, образующая зазор между плоскостью скольжения и направляющими полозьями по краям этой выборки, высота которой в продольном сечении максимальна спереди и постепенно убывает, плавно переходя в носковую плоскость скольжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к спортинвентарю и может быть использовано в конструкциях лыж.

Известна лыжа, имеющая непрерывную поверхность скольжения и сквозные каналы в передней части носкового участка, причем сквозные каналы наклонены под острым углом в вертикальной плоскости к продольной оси лыжи и направлены от передней части лыжи к задней, при этом наличие сквозных каналов обеспечивает образование в районе носкового участка более равномерного воздушного потока с меньшей степенью турбулентности, что улучшает скольжение лыжи (патент США N 3933360, кл. A 63 C 5/04, 1976).

Однако динамическая сила трения для этой конструкции лыжи остается значительной, поскольку поверхность скольжения лыжи, содержащая центральный желобок, лишь косвенно использует воздушный поток, проходящий через сквозные каналы этой силы при скольжении, кроме того поверхность скольжения данной конструкции лыжи не позволяет эффективно повысить характеристики управляемости и продольной устойчивости лыжи, а также обеспечить их выгодное сочетание.

Техническое решение задачи заключается в том, что лыжа, имеющая непрерывную поверхность скольжения, содержит сквозной канал для создания воздушного потока, расположенный под углом в вертикальной плоскости к продольной оси лыжи и направленный от передней части лыжи к задней. В отличие от прототипа, имеющего на поверхности скольжения желобок, в предлагаемой конструкции лыжи поверхность скольжения состоит из плоских носкового и концевого участков, а также профилированного среднего участка, расположенного в зоне грузовой площадки и представляющего собой выборку, образующую по краям полозья и ограниченную передней и задней стенками, выполненными в виде плоскостей, из которых передняя сопряжена с носковой плоскостью скольжения, а задняя плавно переходит в концевую плоскость скольжения, причем выборка имеет в поперечном сечении форму трапеции с меньшим основанием вверху, при этом вход сквозного канала расположен на верхней поверхности носкового участка лыжи, а выход у передней стенки профилированного участка, что при движении обеспечивает заполнение объема выборки воздухом с его дальнейшим сжатием нормальными усилиями лыжника и, как следствие, эффективным снижением динамической силы трения при скольжении, кроме того, распределение нормальных усилий лыжника в основном по длине направляющих полозьев профилированного участка позволяет значительно повысить характеристики управляемости и продольной устойчивости лыжи, а также обеспечить их выгодное сочетание.

При этом в сквозном канале может быть установлена трубка, один конец которой располагается над верхней поверхностью носкового участка и имеет плоскость среза, выполненную под острым углом и наклоненную к верхней поверхности лыжи в сторону носка, а другой конец своим срезом выполнен заподлицо с поверхностью выборки. Трубка может быть выполнена из специальных пластмасс или металлов и сплавов, например из стали или дюралюминия. Кроме того, выборка в поперечном сечении может быть выполнена в форме прямоугольника либо полуэллипса. В продольном сечении выборка может быть выполнена иного профиля, например аэродинамического выпукло-плоского с крутым ростом высоты на переднем отрезке и с более пологим ее убыванием на заднем при сопряжении образующей выборку поверхности с плоскостью носкового участка как под острым, так и под тупым углом. Поверхность выборки может быть выполнена из износоустойчивого материала с чистотой обработки поверхности выше, чем чистота обработки поверхности скольжения. И наконец, в передней части носкового участка скольжения по его длине может быть выполнена открытая спереди выборка, образующая под носком зазор между плоскостью скольжения и направляющими полозьями по краям этой выборки, высота которой в продольном сечении максимальна спереди и постепенно убывает, плавно переходя в носковую плоскость скольжения.

На фиг. 1 изображена предлагаемая конструкция поверхности скольжения лыжи; на фиг.2 носковая поверхность, идентичная концевой, поперечное сечение; на фиг.3-5 варианты выполнения поперечного сечения профилированной поверхности; на фиг.6 и 7 варианты выполнения продольного сечения профилированной поверхности; на фиг.8 носковая часть лыжи, показывающей в продольном сечении открытую спереди выборку на переднем участке носковой плоскости скольжения, вид сбоку; на фиг.9 носок лыжи, показывающий образованный выборкой под носком зазор между плоскостью скольжения и направляющими полозьями, вид спереди; на фиг.10 и 12 схемы, иллюстрирующие механизм поступления, движения и работы воздуха с образованием его упругих реакций при сжатии от действия максимальных (нормальных) усилий лыжника; на фиг.11 схема выбора оптимального места приложения максимальных усилий лыжника по длине профилированной поверхности с выгодным сочетанием управляемости и продольной устойчивости лыжи на малых скоростях.

Предлагаемая конструкция лыжи 1 на участке поверхности скольжения (фиг. 1) содержит плоские носовую 2 и концевую 3 поверхности (фиг.2), а также расположенную в зоне грузовой площадки среднюю поверхность с профилированной выборкой (фиг.3), которая ограничена по поверхности скольжения полозьями 4 и 5 с внутренними наклоненными под острым углом стенками 6 и 7, образующими в поперечном сечении трапецию с малым основанием 8 вверху, а также с внешними боковыми стенками 9 и 10. Острый угол a наклона внутренних стенок необходим для большей прочности полозьев при воздействии на них больших поперечных нагрузок, к примеру, в слаломных дисциплинах или в коньковом беге. Но в таких дисциплинах, как классический бег, спуск на скорость и прыжки с трамплина, поперечные нагрузки на полозья не столь значительны, поэтому их внутренние стенки могут быть выполнены под прямым или близким к нему острым углом a и поперечное сечение выборки может быть выполнено в форме прямоугольника (фиг.4) или полуэллипса (фиг.5). Такое расположение внутренних стенок дает выигрыш в скорости, т.к. снижается сила их трения о снежный покров. Участок профилированной поверхности в продольном сечении (фиг.6) по длине ограничен спереди поперечной стенкой 11 под прямым или близким к нему острым углом b к носковой поверхности 2, а сзади плавно переходит в концевую поверхность 3 по наклонной поверхности 12 под углом 180, при этом на участке длины профилированной поверхности с противоположной стороны устанавливается крепление лыжного ботинка на поверхности 13. Передняя стенка 11 выборки, выполняющая функции тормоза от толчкового проскальзывания лыжи в классическом стиле передвижения так же, как "рыбья чешуя" на поверхности под местом установки крепления ботинка для других дисциплин лыжного спорта не играет большой роли. По этой причине эта стенка может сопрягаться с носковой плоскостью скольжения как под острым, так и под тупым углом . Само же продольное сечение выборки может быть выполнено с иным профилем. Для больших скоростей передвижения выгодна обтекаемая форма выборки, поэтому она может быть выполнена с аэродинамическим выпукло-плоским профилем (фиг.7), где передний отрезок выборки сопряжен под углом > 90 с носковой плоскостью скольжения, а задний отрезок плавно переходит под углом < 180 в концевую плоскость скольжения. Кроме того, в предлагаемой конструкции выполнен сквозной канал, расположенный под острым углом в вертикальной плоскости к продольной оси лыжи и начинающийся на верхней поверхности носкового участка, а заканчивающийся на переднем отрезке выборки. В сквозной канал установлена трубка 14, один конец которой расположен над верхней поверхностью носкового участка и имеющий плоскость среза, выполненную под острым углом и наклоненную к верхней поверхности в сторону носка, а другой конец своим срезом выполнен заподлицо с поверхностью выборки. Трубка выполняет функции воздухозаборника. Кроме того, сквозной канал снижает прочность лыжи, а трубка служит для повышения этой прочности от излома. По этой причине трубка может быть выполнена из специальных пластмасс или металлов и сплавов, например, из стали или дюралюминия.

Для предохранения поверхности скольжения и боковых кромок от истирания и затупления о жесткий снежный покров в предлагаемой конструкции лыжи по краям поверхности скольжения может быть выполнена окантовка. Кроме того, исцарапанной и поврежденной может оказаться поверхность выборки, поэтому последняя может быть выполнена из износоустойчивого материала с чистотой обработки поверхности выше, чем чистота обработки поверхности скольжения. Это улучшает аэродинамические характеристики выборки.

Для улучшения скольжения и продольной устойчивости носкового участка в его передней части по длине может быть выполнена открытая спереди выборка (фиг. 8), образующая под носком зазор между плоскостью скольжения и направляющими полозьями по краям (фиг.9) этой выборки, высота которой в продольном сечении максимальна спереди и постепенно убывает, плавно переходя в носковую плоскость скольжения. Выборка ограничена по поверхности скольжения направляющими полозьями 15 и 16 с внутренними стенками 17 и 18 и внешними 9 и 10 и имеет верхнее основание 19, образуя в поперечном сечении форму прямоугольника. Кроме того, выборка в поперечном сечении может быть выполнена в форме полуэллипса либо трапеции с меньшим основанием вверху. И, наконец, эта выборка с целью предохранения своей поверхности от повреждения снежным покровом может быть выполнена из износоустойчивого материала с чистотой обработки поверхности выше чистоты обработки поверхности скольжения лыжи. При соблюдении этого требования эффективнее "работает" вязкость воздуха.

Предлагаемая конструкция пригодна как для пластиковых, так и для деревянных лыж и может быть использована не только в беговых дисциплинах и для прогулок, но также во всех горнолыжных видах спорта и в прыжках с трамплина.

Основное требование, предъявляемое к предлагаемой конструкции лыжи - повышение эффективности ее ходовых качеств за счет снижения динамической силы трения при скольжении. Наибольшую ответственность за это несет профилированный участок, соединенный с атмосферой сквозным каналом на начальном отрезке своей длины. Необходимо, чтобы направляющие полозья 4 и 5 во время скольжения по всей своей длине имели контакты со снежной поверхностью, что обеспечивает замкнутость объема выборки (без учета сквозного канала). Для обеспечения полного контакта полозьев со снегом жесткость лыжи подбирается такой величины, чтобы при скольжении лыжника на обеих лыжах зазор весового прогиба отсутствовал, т.е. спрямляющее усилие должно быть меньше 0,5 веса лыжника в полном снаряжении. При движении лыжника воздух попадает через сквозной канал в объем выборки вследствие разности давлений на наружном конце трубки P₁ и переднем отрезке внутреннего объема выборки P₂ (фиг.10). Давление P₁ складывается из статического P_ст и динамического (воздушного напора), ; где плотность воздуха, а V его скорость. Передний отрезок выборки хронически испытывает разреженное состояние, поэтому P₁ >P₂. При этом следует учесть, что для полноценного заполнения объема выборки воздухом площадь поперечного сечения наружного конца трубки S₁ должна быть не меньше площади поперечного сечения трубки на входе в объем выборки S₂, а площадь S₂ в свою очередь должна быть не меньше наибольшей площади поперечного сечения переднего отрезка выборки S₃, т.е. S₁S₂S₃ (воздух, поступающий под объем выборки иным путем, в расчет не берется ввиду его незначительного количества).

Следует отметить, что сквозной канал, соединяющий выборку с атмосферой, должен захватывать участок, имеющий наибольшую площадь поперечного сечения выборки. Закачанный в выборку воздух по причине вязкости и инерции, распределенный по всей ее длине, сжимается под действием результирующей F^p от максимальных усилий лыжника и создает вследствие своей упругости ответные реакции R и R", которые снижают силу нормального давления лыжника на снег. Кроме того, в связи с циркуляцией под частью носковой и концевой плоскостей скольжения сжатого воздуха, являющегося прекрасной смазкой, уменьшается динамический коэффициент трения. Все это в сумме значительно снижает динамическую силу трения при скольжении и повышает эффективность ходовых качеств лыжи.

Продольная устойчивость предлагаемой конструкции лыжи имеет повышенные значения вследствие того, что профилированный участок, на который приходится максимум усилий лыжника, имеет направляющие полозья, исключающие возможность поперечного проскальзывания лыжи. Управляемость этой лыжи также повышенная, т.к. управляющие полозья наиболее нагружены усилиями лыжника, а их длина меньше, чем расстояние от носковой до концевой плоскостей, посредством которых управляются обычные лыжи.

Величины реакций сжимаемого при скольжении воздуха R и R" могут изменяться, несколько изменяя соотношение управляемости лыжи к ее продольной устойчивости. В этом немаловажную роль играет жесткость лыжи, изменяя которую, можно изменить величины R и R".

При скольжении происходит сжатие воздуха, находящегося под объемом выборки вследствие действия на него веса лыжника, а точнее результирующей F^p от действия максимальных усилий этого лыжника. Результирующее усилие может перемещаться по длине выборки и занимать заднее F^p₁, или переднее F^p₂ положения. Такой диапазон перемещения результирующей вызван переносом основного усилия лыжника при скольжении и отталкивании от пятки его ноги к носку. Различное положение результирующей по длине выборки (помимо жесткости лыжи) влияет на ответные реакции сжимаемого воздуха, которые могут изменяться по величине и оказывать воздействие на управляемость и продольную устойчивость лыжи. В рассматриваемом случае закрепление ботинка на верхней поверхности 13 грузовой площади лыжи произведено так, чтобы в процессе скольжения и отталкивания обеспечить перемещение результирующей в диапазоне от 1/3 до 1/2 длины выборки, отсчитывая от нулевого значения (в задней части выборки без учета длины участка сопряжения с концевой плоскостью скольжения).

Но подобное соотношение управляемости и продольной устойчивости может быть неудовлетворительным для горнолыжных дисциплин и прыжков с трамплина. К примеру, в спуске на скорость и в прыжках с трамплина продольная устойчивость должна быть преобладающей, чтобы обеспечить прямолинейность спуска, а в могуле, напротив, первоначальное значение отводят управляемости, которая обеспечивает легкость выполнения множества виражей. К тому же длина выборки в обоих случаях должна быть различной ровная с уклоном поверхность, на которой проводятся состязания в спуске на скорость и прыжках с трамплина, позволяет увеличить длину выборки свыше 1/3 длины лыжи, что также способствует увеличению ее продольной устойчивости. Для могула характерна большая неровность трассы, что заставляет выполнять длину выборки менее 1/3 длины лыжи в противном случае из-за неровностей трассы направляющие полозья будут терять контакт со снегом и эффективность выборки от сжатия воздуха будет сводиться на нет. В обоих случаях помимо изменения длины выборки до нужных значений необходимо продольное изменение места установки и закрепления ботинка с тем, чтобы переместить результирующее усилие лыжника в зону повышенной продольной устойчивости либо в зону повышенной управляемости. В слаломных дисциплинах нужна как хорошая управляемость, так и достаточная продольная устойчивость лыжи, однако скорости здесь значительно превышают беговые дисциплины, а это может внести корректировку в определение точного места установки и закрепления ботинка с необходимым диапазоном перемещения результирующей максимальных усилий лыжника по длине выборки. По этим причинам и ряду других с предлагаемой конструкцией лыж, которая предназначена для горнолыжных дисциплин, прыжков с трамплина, а также беговых стилей передвижения и прогулок, необходимо провести ряд экспериментальных работ и теоретических расчетов. Этими методами должны быть определены необходимые размеры, углы и соотношения профилированного участка предлагаемой конструкции лыжи, а также используемый в конструкции материал.

Сжатый под объемом выборки воздух при скольжении имеет перемещение от ее переднего отрезка до заднего в немалой степени по причине своей вязкости и инерции. Вязкость воздуха будет "работать" тем эффективнее, чем выше будет чистота обработки поверхности выборки. Как известно, при скольжении под объемом выборки возникают упругие реакции R и R" сжимаемого воздуха (фиг.10), причем R > R", т.к. выход воздуха из-под объема выборки на ее заднем отрезке затруднен по причине отсутствия выходного сечения. Поэтому величина реакции R должна достигать больших значений, чтобы "пробить" воздуху выход через сопряжение задней стенки с концевой плоскостью скольжения. Повышенная величина реакции R над R" приводит к тому, что концевая плоскость скользит лучше носковой.

Для повышения скольжения носкового участка в его передней части выполняется выборка, которая сжимает воздух, создавая ответную упругую реакцию R" (фиг. 12). На представленной схеме для упрощения не обозначены усилия (нормальные) лыжника, приходящиеся на носковый участок, к тому же основные усилия распределены на среднем профилированном участке. При движении воздух поступает на вход выборки под суммарным давлением P₃, которое складывается из статического P_ст и динамического (воздушного напора) . На начальном отрезке, пока площадь поперечного сечения выборки и ее высота не уменьшаются, воздух свободно движется вследствие своей вязкости и инерции. Двигаясь дальше, воздух поступает на участок с меньшей площадью и высотой и сжимается, создавая ответную упругую реакцию R". Дальнейшее движение воздуха по длине выборки будет происходить тем интенсивнее и тем больше будет величина реакции R", чем выше скорость V лыжника (растет величина скоростного напора) и чем выше чистота обработки поверхности выборки (вследствие шероховатости снежного покрова эффективнее "работает" вязкость воздуха при его перемещении по всей длине выборки). Сжатый воздух, пройдя всю длину выборки, просачивается под сопряженную с ней носковую плоскость скольжения и тем самым хорошо ее "смазывает". Таким образом, носковый участок улучшает скольжение вследствие добавочной упругой реакции R" и циркуляции под остальной частью носкового участка сжатого воздуха. Кроме того, носковая выборка улучшает продольную устойчивость лыжи, т.е. направляющие полозья препятствуют "рысканию" носка лыжи. Эффективность этой выборки по улучшению скольжения проявляется только при движении при остановке величина R"=0. Для наиболее эффективной работы носковой выборки экспериментальными и расчетными методами должны быть определены ее необходимые размеры, углы и соотношения, а также используемый в конструкции материал.

Рассмотрим процесс движения воздуха и его работу на среднем участке с профилированной поверхностью (фиг.10). Предположим для наглядности, что при скольжении движется не профилированная поверхность относительно снега, а, напротив, снег перемещается относительно неподвижной профилированной поверхности. Движущийся снег на своей поверхности имеет неровности, которые вовлекают в свое движение близлежащие пограничные слои воздуха вследствие его вязкости, но т.к. воздух находится в сжатом состоянии, то повышается и его вязкость, т. е. и более дальние от поверхности снега слои воздуха тоже вовлекаются в движение его вместе со снегом. В результате получается направленное движение воздушного потока от начала и до конца профилированной поверхности. Продольное сечение пологого пространства выборки можно представить состоящим из нескольких отрезков: передний постепенно сужающийся ближе к середине отрезок; средний отрезок наименьшего сечения; задний - постепенно расширяющийся к окончанию отрезок; и, наконец, сопряжение - отрезок, соединяющий верхнее основание выборки с концевой плоскостью скольжения. Воздух, поступивший на передний отрезок, движется вместе со снегом и, сжимаясь, давит по причине своей упругости в наиболее поддающемся его действию месте, в стороне от места приложения максимальных усилий, создавая на переднем отрезке некоторой величины реакцию R", действующую вертикально вверх на верхнее основание выборки. Далее воздушный поток проходит средний участок наименьшего сечения и увеличивает скорость своего движения, т.к. согласно управлению неразрывности из газодинамики произведение плотности воздуха, его скорости и площади поперечного сечения, через которое воздух проходит -есть величина постоянная, но изменением плотности сжатого воздуха на этом отрезке можно пренебречь ввиду своей незначительности, поэтому для сохранения постоянства величины произведения и ввиду уменьшения площади поперечного сечения резко возрастает скорость, снижая реакцию воздуха R" на переднем отрезке. Чтобы величина этой реакции в дальнейшем не уменьшалась, а стабилизировалась, необходимо подавать новые порции воздуха на передний отрезок, что и обеспечивается сквозным каналом, соединяющим трубкой передний отрезок выборки с атмосферой (поступлением воздуха под направляющие полозья выборки, минуя сквозной канал, можно пренебречь ввиду его незначительного количества). После прохождения узкого сечения скорость воздушного потока на заднем отрезке падает согласно тому же уравнению неразрывности и ближе к завершению заднего участка ее величина становится минимальной, но не ниже скорости движения снега. Затем благодаря вязкости воздух продолжает движение на отрезке сопряжения, где площадь поперечного сечения полого пространства резко падает от максимального значения до нуля. За отсутствием выходного сечения давление воздуха резко возрастает и его реакция R давит в наиболее уязвимое место начало сопряжения верхнего основания выборки с концевой плоскостью скольжения. Но из среднего отрезка новые порции воздуха поступают в плоскость заднего отрезка, в результате чего реакция R значительно возрастает и воздух находит выход в наиболее поддающемся месте -под начальным участком концевой плоскости скольжения, где заметно выросшая реакция R образует небольшой зазор, через который воздух по принципу все того же уравнения неразрывности начинает выходить с возрастающей пропорционально убыванию площади поперечного сечения скоростью, и, попадая под поверхность концевой плоскости, значительно снижает трение, как при действии эффекта воздушной подушки. Снег не тормозит движение лыжи в месте сопряжения профилированной и концевой поверхностей, т.к. он оттесняется скоростным напором выходящего воздуха, служащего прекрасной смазкой. Кроме того, по причине индукции воздушного потока через средний отрезок выборки воздух, поступающий на передний отрезок, будет быстрее отклоняться в сторону среднего отрезка, образуя в районе сопряжения верхнего основания выборки с носковой плоскостью скольжения местное разрежение P₂, которое будет провоцировать подсос воздуха под передний отрезок выборки.

Рассмотрим процесс поступления воздуха на передний отрезок выборки. Сквозной канал, соединяющий при помощи трубки передний отрезок выборки с атмосферой, выполняет роль насоса, закачивающего воздух. Это происходит вследствие разности давлений воздуха на наружном и внутреннем концах трубки. При движении лыжи на вход наружного конца трубки поступает суммарное давление P₁, которое включает в себя статическое давление P_ст и динамическое P_дин (воздушный напор). Как известно, в районе сопряжения верхнего основания выборки с носковой плоскостью возникает местное разрежение P₂, которое при движении лыжи располагается по всей площади среза внутреннего конца трубки сквозного канала.

Очевидно, что P₂ < P_ст, а суммарное давление P₁ воздуха на наружном конце трубки и подавно больше P₂. По этой причине через наружный конец трубки внутри выборки поступает поток воздуха чтобы выровнять давление снаружи и внутри. Этот поток лавиной проносится по трубке, выходит внутри объема выборки и по причине своей инерции и вязкости отклоняется к среднему участку, оставляя в районе сопряжения верхнего основания выборки с носковой плоскостью новое местное разрежение P₂. Процесс повторяется.

Кроме того, наезжая носковой плоскостью на снег, лыжа его уплотняет и выжимает воздух, часть которого попадает к району разрежения P₂. Так, под носковой плоскостью, как и под концевой, циркулирует сжатый воздух, являясь прекрасной смазкой и снижая с реакциями R и R" динамическую силу трения при скольжении.