Grunnleggende fysikk roing

Original Kilde: http://eodg.atm.ox.ac.uk/user/dudhia/rowing/physics/basics.html

(Del av roing fysikk)

Nylige endringer:

  • 13DEC07 oppdatert design & layout.

Conţinutul

  1. Fremdrift
  2. Rezistenţă
  3. Kinetisk energi
  4. Midtstill tabell
  5. Hastighet variasjon
  6. Ballance
  7. Spaker
  8. Giring
  9. Vedlegg: Newtons lover om bevegelse

1. fremdrift

En båt akselererer ved prinsippet om handling/reaksjon (Newtons tredje lov). Hvis du bite vannet på en måte med padle, båten beveger seg bakover. Impuls(= Mass x Velocity) du putter i vannet vil være lik og det motsatte av impuls ervervet av båten.

Betrakt en båt før og etter et slag.

Figur (1,1)

Før slaget, total impuls p= 0, fordi alt er i ro. Etter slag, total impuls:p=mbvbmwvw= 0, fordi total impuls ikke kan endres (hans lov Newton 2a).

For eksempel, for en båt + Crew Mass mb= 100 kg (dvs. en enkelt Backyard) for å akselerere fra søvn tilvb= 1 m/s, krever entenmw= 10 kg vann for å bli akselerert til vw= 10 m/s, ellermw= 20 kg vann tilvw= 5 m/s eller en annen kombinasjon avmwogvwsom gir produktetmWvW = mbvb= 100 kg m/s.

Under normal rase (dvs. med båten allerede på farten) er det mindre opplagt at vannet er flyttet tilbake for å holde båten fremover, fordi bladene ser ut til å “låse” hvor de er plassert, men hvis du ser på Balti når knivene er Utdraget er klart at vannet er flyttet. Det må være noe slipping å akselerere båten, men for energi hensyn (§ 3), dette bør gjøres så liten som mulig.

Så hva med hvis du trykker av bunnen av elva, eller en rekke polakker plantet langs elvebredden i stedet for vann? (Jeg hørte du spør). Vel, i dette tilfellet, flytter hele planeten tilbake i retur, og noen glir fortsatt vises (slik at den er oppdaget av en svært pedantisk Spaceman med presis, nøyaktig-synlig måleutstyr).

2. motstand

Organer som beveger seg i væsker, senker farten på grunn av styrker som kalles drag. Dette representerer en overføring av impuls fra kropp til væske: den omgivende væsken akselererer etter hvert som kroppen bremser ned, slik at den totale impuls forblir konstant. For båter er det forskjellige typer Drag:

  • Skin dra, på grunn av friksjon mellom vann wrapper, sammen med skroget;
  • Dra form, på grunn av turbulens skapt av passering av Coca;
  • Wave drag, på grunn av den tapte energien i å skape bølger.

Racing shells er uvanlige der Skin dra er den viktigste kilden til motstand (ca 80%). For de fleste andre Wave dra håndverket dominerer. Luften bidrar også til den totale trekke på lignende måter (luften er bare en annen væske). Mens bidraget fra luften fortsatt er bare noen få% av Vanntettheten, er luft hastigheten mye mer variabel, slik at bidraget kan øke til 10s% i det sterke hodet vinden.

Skyv huden er proporsjonal med kvadratet av hastigheten, så forutsatt at du drar huden dominerer, kan den totale motstandenR skrives som

(2, 1) R =A. V2

Hvis v2er kvadratet av hastighet oger enviss konstant avhengig av den våte overflaten og formen på skroget (dvs. forblir den samme for en gitt båt og mannskap).

For å opprettholde en jevn hastighet, må kraftenpåføres være likmotstandenså det er ingen netto akselerasjon eller retardasjon (Newtons 1ste lov, faktisk, bare for å fullføre settet). Derfor er gjennomsnittlig PowerPnødvendig (= Force x-hastighet)

(2, 2) P =A. V3

Dette betyr at for å doble båtens hastighet, må du gi 23= 8 ganger mer kraft. Sagt på en annen måte, hvis du doble kraften, går du bare 1,26 (= 21/3) ganger så fort. Det er derfor du ikke får et mannskap med lett roing så raskt som du håper.

3. kinetisk energi

Ved hjelp av eksempelet i del 1, en viss hastighet av båten kan oppnås hvis du raskt flyttet en liten masse vann eller en stor masse vann langsomt, så lenge den totale impuls forble uendret. Men, vurdere den totale kinetisk energiU(= 1/2 x Mass x Velocity2) igjen i systemet etter slaget:

(3, 1) U = 1/2mbvb2+ 1/2mwvw2

Deretter gir de to eksemplene forskjellige resultater. Hvis mw= 10 kg ogvw= 10 m/s,

(3, 2) U = 0, 5 x 100 x 12+ 0,5 x 10 x 102 = 50 + 500 = 550 joule

Men hvis mw= 20 kg ogvw= 5 m/s,

(3, 3) U = 0, 5 x 100 x 12 + 0,5 x 20 x 52 = 50 + 250 = 300 joule

Denne kinetisk energien representerer mekaniske arbeider utført av roer, men i det første tilfellet må de utføre nesten dobbelt så mye arbeid som den andre bare for å oppnå samme hastighet.

For å få en dato økning i hastigheten på båten, tar det mindre energi til å flytte en stor mengde vann langsomt enn en liten mengde vann raskt. Dette er den grunnleggende argument i favør av “større er bedre” skjeen størrelser, og også å ikke vaske.

4. midten av tabellen

En robåt er ikke en solid kropp-inneholder tre separate komponenter:

  1. Crew, som representerer 70-80% av den totale massen;
  2. Hull (og Cox), som representerer 20-30% av den totale massen;
  3. Årer, som representerer mindre enn 5%, som vil bli ignorert.

Sentrum av masse (cm) av hele systemet er massen vektet gjennomsnittet av cm posisjoner for hver komponent. Mens den enkelte CMs komponenten kan bevege seg i forhold til hverandre, CM av hele systemet kan ikke endre sin momentum (eller hastighet), med mindre ytre krefter påføres (via vann, vanligvis) (Newtons 1ste lovigjen).

Hvis et mannskap, masse mC, er fortsatt sitter ved mekanismene i en båt, massembflytte tilvthastighet, den totale impuls av systemet ermC vt+ Mbvt

Hvis mannskapet deretter begynner å flytte sternwards til-vC iforhold tilvT, båten må flytte inn bowards på en relativ hastighetvbannerledeså spare Impuls:

(4, 1) Mci t+mbit=mc(vTvc) +mb(i feltetT+vb)

som gir

(4, 2) Mc= mbib
http://eodg.atm.ox.ac.uk/user/dudhia/rowing/physics/basics_4.gif
Figur (4,1)

Hvis mannskapet er 80% av den totale massen (dvs. mcer 4/5mc+mb), derettermc= 4mbvb= 4vC. Hvis mannskapet flytter sternwards tilvc= 0,2 m/s, vil båten flytte bowwards til en ekstra 0,8 m/s. i 1 sekund ser på mannskapet at jeg flyttet 1 m til Stern av båten, men til en outsider det virker som 80 cm av denne bevegelsen var Båten beveger seg mot mannskapet.

Dette er grunnen til at buer av en båt ser ut til å surge etter slutten av et slag: selv om bladene er utvunnet og ikke lenger akselerere CM av hele systemet, akselererer mannskapet bevegelse på mekanismene skroget før en Lik og motsatt reaksjon.

5. hastighet variasjon

Avhengigheten av Speed-cubed kraft (EQ. 2,2) har en viktig konsekvens når de vurderer kraften som trengs for å opprettholde en gjennomsnittlig hastighet.

Hvis et mannskap rangerer 1 minutt til 4 m/s, og deretter 1 minutt ved 6 m/s, den totale distansen det dekker er 60 x 4 + 60 x 6 = 600 m. fra EQ. (2,2), forutsatta= 1 kg/m for å holde de enkle beløpene , er den totale verdienWnødvendig (= Power x time)

(5, 1) W = 60 x 43 + 60 x 63 = 16800 joule

Og den gjennomsnittlige kraften i over to minutter (= arbeidsplass/tid) er 140 watt. Anta at det samme mannskapet bare rad 2 minutter til en konstant 5 m/s. de vil dekke samme avstand som før, men denne gangen den totale energien som kreves er forskjellig

(5, 2) W = 60 x 53 + 60 x 53 = 15000 joule

Slik at den gjennomsnittlige kraften er også redusert, = 125 watt. Så de brukte mindre gjennomsnittlig energi (eller mindre total energi) for å dekke samme avstand på samme tid. Dette betyr at det er mer energieffektivt å opprettholde den samme rytmen gjennom et løp (eller på en ERG), i stedet for, for eksempel, starte raskt og tregere, eller starte langsomt og akselerere.

http://eodg.atm.ox.ac.uk/user/dudhia/rowing/physics/basics_5.gif
Figur (5,1)

Siden huden dra motstand (EQ. 2,1) avhenger av hastigheten på skroget, i stedet for hastigheten til den totale massen sentrum, de samme argumentene gjelder variasjonen i hastigheten på skroget under et slag ( Figur 5,1).

Hvis skroget tilbringer halvparten av hvert slag på 4m/s og halvparten til 6m/s er det mindre effektivt at opprettholde konstant hastighet på 5 m/s (du vil få akkurat det samme svaret som ovenfor hvis du dele stykket ett minutt i 60 Skill 1 andre deler ispedd 60 x 1 2 spor på den andre hastigheten). Derfor er det også uønsket å ha for mye variasjon i hastigheten av skroget under slaget (karakterisert ved buer eller akter “å” slå opp og ned overdrevet).

I “glidende båter” setet av verktøyet er festet til belegget, men båre og riggers er koblet og fri til å gli tilbake og fremover på lagrene. Med Ramer ikke lenger glir opp og ned, variasjonen i hastigheten på skroget av hjerneslag er redusert, slik at disse båtene er teoretisk mer effektive (dvs. går raskere for samme kraft). Siden disse båtene er nå forbudt, teorien trolig jobbet, men ikke nødvendigvis bare på grunn av hud-dra argumenter (den drag bølgen er også lav).

6. balanse

Båtene flyter fordi den nedadgående kraft på grunn av tyngdekraftener nøyaktig matchet av stigende kraft på grunn av oppdrift. Gravity fungerer som om den totale massen har konsentrert på et enkelt punkt, kjent som sentrum av tabellen, ellertyngdepunkt(CG). Den oppdrift styrker også fungere som brukes i et enkelt punkt, kjentsom sentrum av oppdrift(CB). CB sammenfaller med CG avfordrevne væske, som ikke er det samme punktet som CG av den flytende kroppen selv.

Som kroppen ruller, CB beveger seg i forhold til skroget. For eksempel, i fig. 6,1, når skroget er oppreist, CB ligger langs den stiplede linjen, men hvis skroget kjøres mot klokken (som vist i figuren), er CB ligger langs den trykte linjen. Skjæringspunktet mellom vertikale linjer (oppdrift styrker) ved CB på ulike rullende posisjoner kallesmetacentre. Hvis formen på senket hull har en sirkulær tverrsnitt (dvs. sylindriske belegg), Metacentre (M) er bare i sentrum av krumning.

http://eodg.atm.ox.ac.uk/user/dudhia/rowing/physics/basics_61.gif
Figur (6,1)

Hvis en kropp flyter i stabilt eller ustadig på vannet, avhenger av den relative plasseringen av metacentre og tyngdepunktet.

Venstre figur viser hvor M og CG sammenfaller. I alle vinkler av tørketrommel, er oppdrift kraft alltid direkte under tyngdekraften og har ikke netto snu resultater, derfor vil det stå i alle vinkler er plassert: “stable nøytral”. Et eksempel på dette er en flytende sylinder, der CG og M begge sammenfaller med den sentrale aksen.

Den midterste figuren illustrerer tilfelle av en racing Shell. Den senket belegget er nesten semi-sirkulære (for å minimere overflaten: det fordrevne volum for en gitt vann bredde), derfor metacenteter er nær vannlinjen. Men for å oppnå en effektiv ro, mannskapet må sitte flere centimeter over vannlinjen, slik at CG (dvs. det meste av mannskapet) ligger over M. Hvis båten er Rolling mot klokken, oppdrift fortsetter å handle oppover gjennom M, men tyngdekraften virker ned til CG har nå flyttet til venstre, så et vendepunkt mot klokken er generert, noe som styrker Roll-hele systemet er egentlig ustabil (Hvis du ikke tror det, ta de flate spakene ut og se hvor lenge du står oppreist).

Figur høyre Vis CG under M slik at eventuelle anti-urviseren roll resulterer i CG i høyre flytte i forhold til M å generere en restaurere øyeblikk klokken slik at båten er stabil. Et eksempel er en kano med kano beliggenhet lavt i en stor skrelles båt.

Vær oppmerksom på at stabiliteten bestemmes bare av de relative posisjonene til tyngdepunktet og Metacentre. Det er mulig å oppnå stabiliteten til en åre som sitter over vannlinjen ved å bruke et skrog med en grunnere kurve (løfte metacentre i midten av en større diameter sirkel-seFig. 6,2). Dette er grunnen til trening båter er mer stabile enn racing båter. Ulempen er økningen av overflate overflate for samme forskyvning, dermed økt drag.

http://eodg.atm.ox.ac.uk/user/dudhia/rowing/physics/basics_62.gif
Figur (6,2)

Så hvorfor er det lettere å balansere en bevegelig båt? To grunner:

  1. Fin fungerer som en roll-demper mer effektivt når vannet renner forbi
  2. Formen på buer som beveger seg gjennom vannet har en tendens til å skape en stabiliserende kraft

Se Steve Kerr ‘ s artikkel for detaljer.

7. spaker

Det er tre klasser av spaker i fysikk, kjennetegnes av de tre mulige lineære ordninger for Fulcrum,Last, oginnsats(lese fra venstre til høyre eller høyre til venstre).

  1. Load-FULCRUM-innsats
  2. FULCRUM-graviditet-innsats
  3. FULCRUM-innsats-Load

Siden den eneste virkelige skillet mellom FULCRUM og oppgaven er at Fulcrum er definert som en stasjonær punkt, er forskjellen mellom klasse 1 og 2 spaker avhengig av referansen rammen (som slags messates opp regulering av arketat årer må være Klasse 2-spaker).

Åre fungerer som en spak som, innenfor referanse båten, vises som i fig (7,1)som klasse 1 lever:

http://eodg.atm.ox.ac.uk/user/dudhia/rowing/physics/basics_71.gif
Figur (7,1)

Pilene viser kreftene på padle. Styrkene på båten (på PIN og båre) er likeverdige og motstridende styrkene på padle på FULCRUM og håndtaket, henholdsvis forlate en netto kraft L(ned i figuren). Den propelling kraften påføres vannet er lik og motsatt av belastningen på skjeen, ogsåL(opp i figuren). Derfor er styrkene på båten og vann like og motsatt.

For en viss innsatsbestemmes verdien avlastenav forholdet mellom lengderbog

(7, 1) L =E. (b/A)

Fordi, for en normal aksel, aer større ennb, kraften som vises på bladet er mindre enn kraften påføres håndtaket. Hvis dette ikke synes å være en god idé, husk at avstanden beveget av bladet er hensiktsmessig større enn avstanden beveget av håndtaket slik at arbeidetWgjort på en ende av akselen, definert som produktet av den ( Force x Distance), forblir den samme. Hvis åre beveges med eny-vinkel, er avstanden som beveges av håndtaket erB. Y, og bladeta. y, slik at arbeidet som utføres i hver ende av åre er:

(7, 2) Håndtere: W =E. B. Og
(7, 3) Lang: W =La y=E. (b/A). A. y=E.B. og (ved hjelp av 7,1)

For en ekstern observatør (for eksempel en offisiell FISA stående på benken) denne situasjonen virker ganske annerledes-den stasjonære siden (= FULCRUM) synes å være bladet i stedet for porten, noe som gir den neste klasse 2 spaken:

http://eodg.atm.ox.ac.uk/user/dudhia/rowing/physics/basics_72.gif
Figur (7,2)

I denne konfigurasjonen oppgaven brukes på PIN-koden og gitt lengde forholdet mellom a + btil lengden:

(7, 4) L =e. (A + B)/a=e+e. (B/a)

I dette tilfellet forsterker åre kraften som påføres håndtaket. Men husk at styrkene og retninger langs padle er de samme som i fig. (7,1)(“Fulcrum” og “Load” er bare relramble), slik at styrkene på båten og på vannet også forbli den samme. Dette er faktisk et generelt prinsipp:

De beregnede kreftene er de samme i alle referanse RAM mer som beveger seg med konstant hastighet.

Selv om rammen av “stasjonære Blade” (fig. (7,2)) er å foretrekke fra synspunkt av trenere (for eksempel undervisning årer til fart båten forbi åre slutten, snarere enn å dra bladet gjennom vannet), den “Moving Boat” ramme ( Fig. (7,1)) har lettere matematikk, så vi vil bruke dette når man diskuterer utstyr i neste avsnitt. Svarene vil være identiske i alle fall.

8. utstyr

Giret av en spak kan uttrykkes bare som forholdet fra avstanden flyttet av lasten til avstanden beveget av innsatsen, som også er det samme som forholdet mellom belastningen avstander og INNSATSEN fra FulcrumR(= (A/b)) ifig. 7,1). Dennerrapporten avgjør hvordan “Light” (litenr) eller “Heavy” (rLarge) vann føles på en viss hastighet av båten.

Dessverre er belastningen og innsatsen på en aksel ikke brukes til rent definerte poeng, slik at utstyret uttrykkes konvensjonelt i form av lengder som kan enkelt måles.

http://eodg.atm.ox.ac.uk/user/dudhia/rowing/physics/basics_8.gif
Figur (8,1)

Avstandentas vanligvis som utgangs lengdepå akselen(fig. 8,1), målt fra tuppen av bladet til siden av knappen. Men dette, i sin tur, er vanligvis uttrykt i form avpropell lengde indikativ(~ 115cm), som er lettere å måle, og den totale lengden(~ 375cm), som er (vanligvis) fast ( A~ 375-115 = 260cm).

Avstand ber rundet avspan, også kjentsomspredningeneller”avstand thwartship“, som for en feiende båt er avstanden Mellom midten av PIN og midten av båten linjen (NB span for padle er definert som dobbel dette, dvs. PIN-til-PIN avstand). Merk atbikke erdefinert av den veiledende lengden på propellen-det antas at Cantor effektivt gjelder press på padle over midtlinjen av fartøyet, ikke på tuppen av håndtaket.

For å endre span krever flytte PIN ut (lettere) eller i (hardere) og har også effekten av å endre lengden på rodde buen. Detaljene avhenger av rigger design, men krever vanligvis en stor tachelage økt.

Det finnes flere metoder for å endre tannhjul gjennom utenbords lengde. I den økende rekkefølgen av tiden som kreves, er de:

  1. Plasser “muslinger” på utsiden av knappene. De er effektivt klips på flere knapper som forkorter Utenbordsmotoren med ca cm og dermed lette giret.
  2. Flytt selve knappen mot skjeen (lysere) eller håndtaket (hardere).
  3. Endre lengden på akselen. Holde propellen på samme måte, lengre årer føler tyngre, mindre årer lettere.
  4. Endre skjeen design. Cleaver anvender effektivt lasten nærmere spissen enn macons, noe som er grunnen til at cleaver vanligvis er flere inches kortere for å gi en “tilsvarende” følelse for samme veiledende propell og spenn.

For å finne tilsvarende endre Jai utenbordsasom forlater Gear(a/b)uendret etter enDB endring i spanb:

(8, 1) A/b =(A + da)/(b + DB)
(8, 2) 1 + DB/b= 1 +da/A
(8, 3) Da =(A/b). db

Siden aer ~ 260cm,ber ~ 85cm,(a/b)er ca 3, som vanligvis er sitert faktor for likhetstegn mellom endringer i span til endringer i posisjonen til knappen. For eksempel, øke span av 1 cm bør “føle” akkurat som å flytte knappene 3 cm.

Vedlegg: Newtons lover om bevegelse

  1. En kontinuerlig kropp i hviletilstand eller jevn bevegelse, med mindre den betjenes av en ekstern kraft
  2. Puls endrings rate er proporsjonal med kraften som påføres
  3. Hver handling har en lik og motsatt reaksjon