способ подбора спортивного инвентаря

Формула изобретения

1. Способ подбора спортивного инвентаря, заключающийся в измерении амплитудно-частотных характеристик взаимодействия спортивного инвентаря с трассой в диапазоне возможных соревновательных скоростей непосредственно во время перемещения инвентаря по реальной трассе, обработке полученных данных и последующем подборе оптимального варианта, отличающийся тем, что при обработке полученных данных определяют спектральную плотность мощности пульсаций спортивного инвентаря, возникающих при перемещении инвентаря по реальной трассе, и затем выбирают спортивный инвентарь по критерию минимума спектральной плотности мощности крупномасштабных пульсаций спортивного инвентаря на соревновательных скоростях.

2. Способ подбора спортивного инвентаря по п.1, отличающийся тем, что предварительно идентифицируют источники характерных пульсаций и шума и осуществляют подавление или фильтрацию шума.

3. Способ подбора спортивного инвентаря по п.1, отличающийся тем, что интерпретацию измерений амплитудно-частотных характеристик выполняют с вероятностной точки зрения с учетом шумовой компоненты.

4. Способ подбора спортивного инвентаря по п.1, отличающийся тем, что энергия крупномасштабных пульсаций прямо пропорциональна кубу изменения средней скорости на протяжении области, в которой происходят крупномасштабные пульсации, и обратно пропорциональна размерам области, в которой происходят крупномасштабные пульсации.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области спортивного инвентаря и может быть использовано при подборе оптимального инвентаря в таких видах спорта, как беговые и горные лыжи, сноуборд, санный и конькобежный спорт, водный спорт (академическая гребля, байдарки и каноэ и др.)

Во всех этих видах спорта важную роль играют силы взаимодействия спортивного инвентаря с поверхностью трассы (с внешней средой).

Наиболее трудоемким и во многих случаях трудно предсказуемым является подбор инвентаря в лыжных гонках, биатлоне и других беговых лыжных видах спорта. Это происходит из-за очень большого количества факторов, влияющих на скольжение и большого количества их сочетаний в реальных условиях. Так, существенное влияние на скольжение оказывают структура скользящей поверхности, форма поверхности, распределение давления по поверхности, температура, плотность, жесткость, вязкость снежной трассы и т.д.

До настоящего времени при подборе лыж учитывают лишь силы трения скользящей поверхности (лыжная мазь, парафин, материал скользящей поверхности, форма накатки, штайншлифт и т.д.) и сопротивление скольжению, обусловленное формой дуги прогиба лыж под действием сил отталкивания.

Статический и динамический коэффициенты трения определяют, например, приборами типа «Уктус» (А.С. СССР 1454488 от 1989 года МКИ A63C 11/04). Выбирают вариант с наименьшим динамическим коэффициентом для конькового хода или лучшее сочетание статического и динамического коэффициентов для классического хода передвижения. Другим вариантом определения коэффициента трения является откатка «мышки» (четырехгранный брусок с заостренным концом, на каждую грань которого накладывается вариант смазки). Затем измеряют длину выката «мышки» со склона на каждой из граней. Определяют лучшие варианты подготовки лыж, и эти варианты тестируются спортсменами на различном рельефе трассы. Но полученные результаты таких измерений часто противоречивы и субъективны, так как испытаниям подвергается модель, которая не учитывает всех влияющих на скольжение факторов. С другой стороны, наука трибология достигла больших успехов в борьбе с трением. Разработаны технологии подготовки контактной поверхности, обладающие самыми низкими коэффициентами трения. Борьба идет за снижение коэффициента трения на сотые и тысячные доли процента. В то же время разница в скольжении двух экземпляров одинаково подготовленного спортивного инвентаря даже от одного производителя очень существенна и достигает нескольких десятков процентов. Это говорит о том, что кроме коэффициентов трения имеются другие факторы, влияющие на силы сопротивления перемещению спортивного снаряжения по трассе.

Силы сопротивления движению, обусловленные формой дуги прогиба лыжи и распределением величины давления на трассу по длине лыжи, определяют в настоящее время косвенно - с помощью флекс-тестера (струбцина с калиброванным индикатором усилия) с измерением зазоров между двумя сложенными лыжами при различных усилиях сжатия или тензодатчиков (специальный тензоприбор, например, конструкции ВИСТИ), при помощи которого измеряют распределение давления под скользящей поверхностью лыжи при различных нагрузках. Накопленные статистические данные о соответствии различных форм дуги прогиба спортивного инвентаря под нагрузкой и условий снежной трассы (жесткость, температура, влажность и т.д.) позволяют приблизительно производить подбор спортивного инвентаря. Но самые разнообразные сочетания погодных условий, разнообразный рельеф трассы, индивидуальные особенности техники передвижения спортсмена и т.п. не позволяют надежно прогнозировать работу отобранного спортивного инвентаря.

Известен также способ подбора спортивного инвентаря путем измерения характеристик спортивного инвентаря на реальной снежной трассе, на откаточном склоне - сравнения длины "выката" у различных лыж и при различных вариантах смазки. В последние годы чаше сравнивают скорости и ускорения движения двух спортсменов, скользящих по склону на параллельных лыжнях, затем лыжники меняются лыжами и повторяют испытания. По результатам испытаний производят выбор оптимального варианта. Но такие измерения требуют большого количества скатываний (времени) для получения достоверных результатов. Кроме того, такие измерения пригодны для узкого диапазона скорости скольжения спортивного инвентаря и не позволяют выявлять лучший инвентарь для широкого диапазона скоростей, что имеет место на реальной лыжной трассе.

Известен (Российский патент № 2176538, приоритет 2000.10.12, МПК A63C 11/00) способ подбора поверхности скольжения спортивного инвентаря, заключающийся в свободном многократном перемещении инвентаря или его макета по заданному участку трассы с замером параметров перемещения посредством фотодатчиков, вычислении коэффициентов трения скольжения и последующем выборе оптимального варианта.

Недостатком такого способа является то, что измеряемые параметры перемещения спортивного инвентаря зависят от величины прилагаемых спортсменом усилий, которые невозможно в точности повторить.

Кроме того, такой способ позволяет сравнивать параметры перемещения, например коэффициент трения скольжения, в узком диапазоне скоростей, поскольку коэффициент трения скольжения нелинейно зависит от скорости перемещения. Для другого диапазона скоростей перемещения требуется выполнение работы заново.

Известен (Российская заявка № 2007128283/12 от 27.07.07, МПК A63C 11/00, прототип) способ подбора спортивного инвентаря, заключающийся в измерении амплитудно-частотных характеристик взаимодействия спортивного инвентаря с трассой в диапазоне возможных соревновательных скоростей перемещения, последующей обработке полученных данных и определении степени турбулентности явлений, возникающих при перемещении инвентаря по трассе, а затем выборе спортивного инвентаря по критерию минимума степени турбулентности на соревновательной скорости.

Такой способ подбора спортивного инвентаря позволяет учитывать важный фактор - амплитудно-частотную характеристику спортивного инвентаря и ламинарные и турбулентные явления, возникающие как отклик на его перемещение по реальной трассе. Необходимо пояснить, что турбуленция наблюдается не только в жидкостях и газах, но и в любых сплошных средах (например, в песке, земле, снеге, металлах). Общепринятым стало понимание турбулентности как иерархии вихрей разных размеров, когда имеют место пульсации скорости потока от больших до самых малых значений. Энергия черпается из крупномасштабного движения, откуда постепенно передается во все меньшие масштабы, пока не диссипируется в мелкомасштабных пульсациях. При этом в контакте в зоне трения формируются диссипативные, ускоряющие, гироскопические, потенциальные и циркуляционные силы. В крупномасштабных пульсациях не происходит заметной диссипации энергии. Можно сказать, что имеется как бы непрерывный поток энергии от крупно- к мелкомасштабным пульсациям, то есть от малых частот к большим. Этот поток диссипируется, то есть кинетическая энергия переходит в тепло, в самых мелкомасштабных пульсациях. Именно мелкомасштабные пульсации характеризуют потери энергии при перемещении спортивного инвентаря.

Но эти пульсации высокой частоты значительно рассеиваются на пути к регистрирующему сигнал датчику-акселерометру, в отличие от пульсаций низкой частоты, которые практически не рассеиваются средой. Разные конструкции спортивного инвентаря (количество и толщина склеенных слоев, модули упругости материалов, форма и др.) по-разному рассеивают пульсации высокой частоты и искажают реальные значения степени турбулентности при движении спортивного инвентаря. Это не позволяет с достаточной точностью определять на высоких частотах степень турбулентности движения и сравнивать по этому показателю спортивный инвентарь между собой.

Кроме того, спортивный инвентарь при перемещении по реальной трассе подвергается действию множества случайных процессов, например, таких как силы ударного вида, возникающие при взаимодействии отдельных элементов трения, сопровождающиеся их упругой деформацией. Или таких как преодоление спортивным инвентарем неровностей трассы, различных включений большой плотности или наоборот более рыхлых участков и т.д.

Эти случайные процессы не имеют отношения к собственно турбулентным явлениям, но оказывают влияние на мгновенные значения скорости перемещения. Поэтому подбор спортивного снаряда по критерию степени турбулентности как отношения мгновенных и средних скоростей пульсации может оказаться недостаточно корректным при наличии шума - случайных процессов, происходящих во время движения спортивного снаряда по реальной трассе. Шум - это такая составляющая сигнала, которая нам не нужна, но такая, которая своим присутствием затрудняет обнаружение или измерение интересующего нас полезного сигнала. Причем, если в сигнале присутствует значительная шумовая компонента, то к интерпретации результатов измерений сигнала следует подходить с вероятностной точки зрения. Известные решения не предусматривают учет шумовой компоненты.

Кроме того, известные решения могут быть использованы при стационарных или медленно меняющихся соревновательных скоростях перемещения спортивного снаряда, но требуют значительно больших компьютерных ресурсов и времени для корректного определения степени турбулентности при быстрых изменениях (разгон -торможение) скоростей перемещения.

Целью изобретения является повышение надежности подбора спортивного инвентаря за счет учета при обработке сигнала свойств крупномасштабных пульсаций, свойств случайных процессов и интерпретации измерений сигнала с вероятностной точки зрения с учетом шумовой компоненты.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе подбора спортивного инвентаря, включающем измерение амплитудно-частотных характеристик спортивного инвентаря непосредственно во время перемещения по реальной трассе, обработку полученных данных и последующий подбор оптимального варианта, при этом, при обработке полученных данных, определяют спектральную плотность мощности пульсаций спортивного инвентаря, причем предварительно идентифицируют источники энергии и шума и осуществляют подавление или фильтрацию шума, а затем выбирают спортивный инвентарь по критерию минимума энергии крупномасштабных пульсаций на соревновательной скорости.

Спектральная плотность мощности применяется для анализа систем, подвергнутых действию случайных сигналов, для определения свойств систем по входным и выходным процессам, идентификации источников энергии и шума; знание спектральной плотности помехового сигнала позволяет определить физическую природу этого сигнала и осуществить его подавление или фильтрацию; спектр мощности используется для оценки соотношения между периодическими и шумовыми составляющими случайного процесса. (Рудаков В.Н., Сафонов И.В. Обработка сигналов и изображений. MatLab 5/х/Под общ. ред. В.Г.Потёмкина. - М.: Диалог - МИФИ, 2000.)

Подобно спектральной функции, которая определяется преобразованием Фурье, функция спектральной плотности мощности характеризует гармонический состав исследуемого процесса. Различие этих функций состоит в том, что преобразование Фурье определяет амплитудный спектр, а спектральная плотность мощности - энергетический спектр. В отличие от преобразования Фурье спектральная плотность мощности характеризует спектральный состав всего полезного сигнала, т.е. ансамбля реализаций, а не какой-то одной реализации полезного сигнала. Кроме того, нахождение частотного состава процесса через спектральную плотность мощности является более физичным, поскольку измерительные аналоговые приборы работают на основе определения величины энергии процесса, а не амплитуды.

Определение спектральной плотности мощности пульсаций при перемещении спортивного снаряда по реальной трассе позволяет оценивать силы сопротивления перемещению с энергетической точки зрения.

По мере возрастания числа Рейнольдса появляются сначала крупномасштабные пульсации; чем меньше масштаб движения, тем позже такие пульсации появляются. При очень больших числах Рейнольдса в турбулентном потоке присутствуют пульсации с масштабами от самых больших до очень малых (см. Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшиц "Гидродинамика": Развитая турбулентность).

Энергия черпается из крупномасштабного движения, откуда постепенно передается во все меньшие масштабы, пока не диссипируется в мелкомасштабных пульсациях.

Для крупномасштабных пульсаций, являющихся как раз основными во всяком турбулентном потоке, вязкость сплошной среды не играет роли. Поэтому в крупномасштабных пульсациях не происходит и заметной диссипации энергии.

Несмотря на то, что диссипация обязана, в конце концов, вязкости сплошной среды, порядок величины энергии может быть определен с помощью одних только величин, характерных для крупномасштабных пульсаций. Получаем, что энергия крупномасштабных пульсаций прямо пропорциональна кубу изменения средней скорости на протяжении области, в которой происходят турбулентные пульсации и обратно пропорциональна размерам области, в которой происходят турбулентные пульсации, чем определяется порядок величины диссипации энергии в турбулентном потоке.

Этот анализ указывает на наличие новизны в заявленном способе.

Сравнение заявленного способа с другими техническими решениями того же направления показывает, что измерение амплитудно-частотных характеристик и определение спектральной плотности мощности пульсаций, возникающих при перемещении спортивного инвентаря по реальной трассе, фильтрация шумов и последующий выбор спортивного инвентаря по критерию минимума спектральной плотности мощности крупномасштабных пульсаций (энергии крупномасштабных пульсаций) на соревновательных скоростях позволяет более точно осуществлять подбор спортивного инвентаря как для стационарных и медленно меняющихся соревновательных скоростей перемещения спортивного снаряда, так и для быстро меняющихся соревновательных скоростей перемещения спортивного снаряда в реальных условиях движения за счет учета при обработке сигнала энергетических свойств крупномасштабных пульсаций, свойств случайных процессов и интерпретации измерений сигнала с вероятностной точки зрения с учетом шумовой компоненты.

Таким образом, можно сделать вывод о превышении заявленным способом существующего уровня техники.

Способ побора спортивного инвентаря поясняется на примерах его выполнения.

На испытываемый спортивный снаряд устанавливают датчик-акселерометр, подключенный кабелем, например, к портативному виброанализатору данных СД-21 (http://www.vibrotek.com/russian/catalog/dc-21/index.htm) и, перемещая спортивный снаряд по реальной трассе с соревновательной скоростью, например 0-5 м/с, записывают сигнал датчика. Сигнал имеет, например, такой вид: WavData(0) - амплитуда вертикальных ускорений лыжи в зоне крепления датчика в условных единицах. WavData(1) - амплитуда горизонтальных ускорений лыжи в условных единицах. Т - время, с.

Затем определяют амплитудно-частотную характеристику сигнала (полный спектр сигнала), например:

W1 - амплитуда вертикальных ускорений лыжи в зоне крепления датчика в условных единицах.

W2 - амплитуда горизонтальных ускорений лыжи в условных единицах. freq - частота, Гц.

И отфильтровывают, например, полосовым фильтром или вручную выявленные шумы.

Затем определяют мгновенные и средние значения скорости (интегрируют сигнал ускорений во времени), например: у1 - вертикальная мгновенная скорость лыжи в зоне крепления датчика в условных единицах. у2 - горизонтальная мгновенная скорость лыжи в условных единицах. Т - время, с. f1 и f2 соответственно средние скорости.

После этого определяют спектральную плотность мощности пульсаций спортивного снаряда, возникающих при движении. Получают, например, вот такие значения спектральной плотности мощности горизонтальных пульсаций лыж:

Где: № 1, № 1-3, № 55, № 75, № 76 - соответственно условные номера испытываемых пар лыж; по вертикальной оси - спектральная плотность мощности горизонтальных пульсаций лыж; по горизонтальной оси - частота горизонтальных пульсаций.

После обработки сигналов и получения значений спектральной плотности мощности горизонтальных пульсаций лыж выбирают лыжи по критерию минимума энергии крупномасштабных пульсаций (в нашем случае принята частота 15.625 Гц и лучшей на этой частоте является пара № 1), т.е. выбирают лыжи, имеющие минимальную силу сопротивления движению в данных конкретных условиях на данных соревновательных скоростях.