Grundläggande Fysik Rodd

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

(Fysik Rodd

Senaste Ändringar:
  • 13DEC07 Uppdaterad design & layout.

1. Framdrivning

En båt accelererar genom aktion/reaktion principen (Newtons 3: e Lag). Du flytta vatten ett sätt med din åra, båten förflyttar sig på andra sätt. fart (=massa x hastighet) kan du sätta i vatten kommer att vara lika stor och motsatt den fart som förvärvats av båten.

Överväga en båt före och efter en stroke.

Figur (1.1)

 

Innan stroke, total fart s = 0, eftersom allt är i vila.
Efter stroke, total fart: s = mbvbmwvw = 0 eftersom den totala kraften inte kan ändra (Newtons 2: a Lag).

E. g. för en båt+crew massa mb = 100 kg (dvs en enda sculler) för att accelerera från stillastående till vb = 1 m/s, kräver antingen mw= 10 kg vatten för att vara snabbare till vw = 10 m/s, eller mw = 20 kg vatten till vw = 5 m/s eller någon annan kombination av mw och vw som ger produkten mwvw = mbvb = 100 kg m/s.

Under normala stroke (dvs med båt redan på väg) att det är mindre uppenbart att vattnet gått bakåt för att hålla båten att röra sig framåt eftersom bladen visas till “lock” på var de är placerade, men om man tittar på vattenpölarna när bladen är extraherade det är klart att vattnet är flyttade. Det är för att bli vissa avvikelser i syfte att påskynda båt, även om energiaspekter (3 § ), detta bör göras så liten som möjligt.

Så vad händer om du trycker på från botten av floden, eller en serie av polacker planterade längs floden, snarare än vatten? (Jag hör att du frågar). Tja, i så fall hela jorden rör sig bakåt istället, och vissa avvikelser förekommer fortfarande (som upptäckts av en mycket pedantisk spaceman med implausibly exakt mätning av utrustning).

2. Motstånd

Kroppar som rör sig i vätskor sakta ner på grund av resistiva krafter känd som dra. Detta faktiskt utgör en överföring av fart från kroppen till vätska: det omgivande vätska hastigheter upp som kroppen saktar ner, så att den totala kraften är fortfarande konstant. För båtar finns det olika typer av drag:

  • Hud Dra, på grund av friktionen mellan skrov medföring vatten längs med skrovet.
  • formmotståndet, på grund av turbulens skapas genom passage av skrovet.
  • Wave Dra, på grund av att mycket energi som går förlorad i att skapa vågor.

Racing skal är ovanligt att Huden Drar är den största källan till motstånd (ca 80%). För de flesta andra hantverk Våg Dra dominerar. Luften bidrar också till den totala dra på liknande sätt (luft är bara en annan vätska). Medan bidraget från stillastående luft är bara några procent av det vatten som motstånd, lufthastigheten är mycket mer rörlig, så bidrag kan stiga till 10 % i stark motvind.

Huden Dra är proportionell mot kvadraten på hastigheten, så antar att Huden Drar dominerar den totala motstånd R kan skrivas som

(2.1) R = .v2

 

där v2 är kvadraten på hastigheten och en är någon konstant beroende på den fuktade ytan och skrovets form (dvs förblir den samma för en viss båt och besättning).

För att hålla en konstant hastighet, kraft måste tillämpas lika på motstånd så det är inget nät acceleration eller retardation (Newtons 1: a Lag, faktiskt, bara för att slutföra). Därav den genomsnittliga S som krävs (=kraft x hastighet)

 

(2.2) S = .v3

Detta innebär att dubbla båtens hastighet, som du behöver för att leverera 23 = 8 gånger mer energi. Uttryckt på ett annat sätt, om du dubbla makt, du bara gå 1.26 (=21/3) gånger så snabbt. Detta är varför rodd fast tryck inte få dig förbi en besättning rodd lätt tryck så snabbt som man skulle hoppas.

3. Kinetisk Energi

Med hjälp av exempel i 1 § , en viss båt hastighet kan uppnås om du har flyttat en liten massa vatten snabbt, eller en stor massa av vatten långsamt, så länge som den totala kraften förblev den samma. Dock tar hänsyn till den totala kinetisk energi U (= ½ x massa x hastighet2) kvar i systemet efter stroke:

 

(3.1) U = ½mbvb2 + ½mwvw2

 

Sedan två exempel ge olika resultat.
Om mw=10 kg och vw=10 m/s,

 

 

(3.2) U = 0,5 x 100 x 12+ 0,5 x 10 x 102 = 50 + 500 = 550 Joule

 

men om mw=20 kg och vw=5 m/s

 

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

 

Denna kinetiska energi är mekaniskt arbete utförs av roddaren, men i det första fallet har de att utföra nästan dubbelt så mycket som i den andra bara för att uppnå samma hastighet.

För att uppnå en viss ökning av båtens fart, det tar mindre energi att röra sig en stor mängd vatten långsamt än en liten mängd vatten snabbt. Detta är den grundläggande argument för att “större är bättre” sked storlekar, och även för att inte tvätta ur.


 

4. Masscentrum

En roddbåt är inte en fast kropp – den innehåller tre separata delar:

  1. Crew, vilket motsvarar 70-80% av den totala massan.
  2. Hull (och cox), vilket motsvarar 20-30% av den totala massan.
  3. Åror, vilket motsvarar mindre än 5%, vilket kommer att ignoreras.

masscentrum (CM) i hela systemet är massa-vägt genomsnitt av positioner i CM för varje komponent. Medan den enskilda komponent CMs kan röra sig i förhållande till varandra, CM av hela systemet kan inte ändra sin fart (eller velocity) om yttre krafter som tillämpas (via vatten, vanligtvis) (Newtons 1: a Lag igen).

Om en besättning, vikt mc, sitter fortfarande på säkerhetsmekanismer i en båt, massa mb, rör sig med hastigheten vt den totala kraften av systemet är mcvt + mbvt

Om besättningen sedan börja flytta sternwards på –vc i förhållande till vt, båten måste flytta bowards vid olika relativa hastigheten vb för att bevara farten:

 

(4.1) mc vt + mbvt = mcvtvc) + mb vt+vb)

som ger

 

(4.2) mc vc = mb vb

 

 

Figur (4.1)

 

Om besättningen är 80% av den totala massan (dvs mc är 4/5 av mc + mb), sedan mc = 4 mb vb = 4 vc. Om besättningen flytta sternwards vc=0,2 m/s, båten kommer att flytta bowwards på en extra 0,8 m/s. I 1 sekund ser det ut till besättningen att de har flyttat 1 m mot aktern av båten, men för en utomstående ser det ut som 80 cm för att rörelsen var båten på väg mot besättningen.

Det är därför bågar av en båt verkar våg efter målgång av en stroke: även om bladen har tagits fram och finns inte längre att påskynda CM av hela systemet, besättningens rörelse av säkerhetsmekanismer accelererar skrovet framåt av en lika stor och motsatt reaktion.

5. Hastighetsreglering

Velocity-cubed beroende av makt (Eq.2.2) har en viktig konsekvens av detta då med tanke på den makt som krävs för att upprätthålla en genomsnittlig hastighet.

Om en besättning rader 1 minut vid 4 m/s, och sedan 1 minut vid 6 m/s, det totala avståndet som de täcker är 60 x 4 + 60 x 6 = 600 m. Från Eq.(2.2), förutsatt att en = 1 kg/m för att hålla summor enkel, den totala V som krävs (= effekt x tid)

 

(5.1) V = 60 x 43 + 60 x 63 = 16800 Joule

 

och den genomsnittliga effekten under två minuter (= arbete / tid) är 140 Watt.
Antag att samma besättning rader 2 minuter vid en konstant 5 m/s. De kommer att täcka samma avstånd som tidigare, men den här gången är den totala energi som krävs är olika

 

(5.2) V = 60 x 53 + 60 x 53 = 15000 Joule

 

så den genomsnittliga effekten är också minskat = 125 Watt. Så de har använt mindre genomsnittlig effekt (eller mindre total energi) för att täcka samma sträcka på samma tid. Detta innebär att det är mer energi-effektiva för att hålla samma tempo under hela loppet (eller på en erg), snarare än att, till exempel, starta snabbt och sakta ner, eller börja långsamt och öka hastigheten.

 

Figur (5.1)

 

Eftersom huden dra motstånd (Eq.2.1) beror på skrovet hastighet snarare än hastighet av det totala centrum av massa, samma argument gäller att variationen i skrovet hastighet under en stroke (Figur 5.1).

Om skrovet tillbringar hälften av varje slag på 4m/s och hälften på 6m/s det är mindre effektivt att hålla hastigheten konstant på 5 m/s (du får exakt samma svar som ovan om du delar en minut bit in i 60 separat 1 andra delar varvas med 60 x 1, andra delar på andra hastighet). Därför är det också önskvärt att ha för mycket variation i skrovet hastighet vid stroke (som kännetecknas av bågar eller stern guppade upp och ner överdrivet).

I ‘glidande riggare‘ båtarna sculler säte är fast i skrovet, men båren och riggare som är anslutna och gratis att glida tillbaka och framåt på lager. Med sculler inte längre glida upp och ner, variationen i skrovet hastighet genom stroke reduceras, så att dessa båtar är teoretiskt sett mer effektiv (dvs gå snabbare för samma effekt). Eftersom dessa båtar är nu förbjudna, teorin förmodligen arbetat, men inte nödvändigtvis bara på grund av hud-dra argument (våg dra är också minskas).

 

6. Balans

Båtar flyta eftersom den nedåtgående kraft på grund av att vikt är exakt motsvaras av den uppåtgående kraften på grund av att flytkraft. Gravitationen fungerar som om den totala massa var koncentrerad i en enda punkt, känt som centrum för massa, eller tyngdpunkt (CG). Flytkraft krafter också agera som om de tillämpas på en enda punkt, känd som centrum av flytkraft (CB). CB sammanfaller med CG på fördrivna vätska, vilket inte är samma sak som CG på den flytande kroppen själv.

Som kroppen rullar, CB rör sig i förhållande till skrovet. Till exempel, i Fig.6.1, när skrovet är upprätt CB ligger längs den streckade linjen, men om skrovet är rullade moturs (som i figuren) CB ligger längs den streckade linjen. Skärningspunkten mellan de vertikala linjerna (flytkraft krafter) genom CB på olika rulla positionerna kallas metacentre. Om nedsänkt hull-form har ett cirkulärt tvärsnitt (dvs cylindriska skal), metacentre (M) är helt enkelt i centrum av krökning.

Diagram (6.1)

Om en kropp flyter stabilt eller instabilt på vattnet beror på den relativa positionen för metacentre och tyngdpunkt.

Den vänstra figuren visar fallet där M och CG sammanfaller. Vid alla kast vinkel, flytkraft kraft är alltid direkt under gravititional kraft och inget nät att vrida stund resultat, därför kommer det att sitta en valfri vinkel placeras det: ‘neutralt stabil”. Ett exempel på detta är en rörlig cylinder, där CG och M både sammanfaller med den centrala axeln.

Den mellersta figuren illustrerar fallet av en racing skal. Den översvämmade skrovet är nära semi-cirkulär (för att minimera yta:volym som överförs till en viss vattenlinjen bredd), därav metacentre ligger nära vattenlinjen. Men för att uppnå en effektiv rodd stroke har besättningen att bli sittande flera inches ovanför vattenlinjen, så CG (dvs mestadels av besättningen) som ligger framför M. Om båten rullar moturs, flytkraft fortsätter att agera uppåt genom M, men agerar allvar nedåt på CG har nu flyttat till vänster så en moturs vridning ögonblick skapas som stärker roll – hela systemet är intimt instabila utgåvan (om du inte tror på detta, ta årorna och se hur länge du stannar upp).

Den högra figuren visar CG nedan M, så alla moturs kast resulterar i CG flyttar rätt i förhållande till M för att generera en medurs för att återställa stund så båten är stabil. Ett exempel är en kanot med kanotisten förläggningen låg i ett brett skalad båt.

Observera att stabiliteten är bara bestäms av relativa ståndpunkter tyngdpunkt och metacentre. Det är fullt möjligt att uppnå stabilitet för en oarsman sitter ovanför vattenlinjen med ett skrov med en grundare krökning (att höja metacentre till centrum av en större cirkel med diametern – se Fig. 6.2). Det är därför utbildning båtar är mer stabila än racing båtar. Nackdelen är en ökad yta för samma deplacement, därmed ökat dra.

Diagram (6.2)

Så varför är det lättare att balansera en båt på väg? Två skäl:

 

  • fin fungerar som en mer effektiv roll-spjäll när vatten strömmar förbi
  • I form av bågar rör sig genom vattnet tenderar att skapa en stabiliserande kraft

Se Steve Kerr ‘ s artikel för mer information.


 

7. Spakar

Det finns tre klasser av spakar i fysik, som kännetecknas av de tre möjliga linjär ordning av Fulcrum, Ladda och Försök (läses från vänster till höger eller höger till vänster).

  1. Ladda – Fulcrum – Ansträngning
  2. Fulcrum – Last – Ansträngning
  3. Fulcrum – Ansträngning – Ladda

Eftersom den enda verkliga skillnaden mellan stödpunkt och belastningen är som balanspunkt definieras som den stationära punkten, skillnaden mellan Klass 1 och 2 spakar beror på din referensram (vilken typ av bud upp FISA förordningen som åror vara Klass 2 spakar).

Åran fungerar som en hävarm som, i båtens referensram, som visas i Fikon (7.1) som en Klass 1 Spak:

Figur (7.1)

 

Pilarna visar krafterna på åran. Krafterna på båt (på stiftet och bår) är lika stora och motsatt krafter på åran på fulcrum och hantera respektive lämnar en net force L (nedåt i figuren). Den framåtdrivande kraft som appliceras till vattnet är lika stora och motsatt belastningen på sked, L (uppåt i figuren). Därmed tvingar på båten och vattnet är lika-och tvärtom.

För en given Försök E, värdet av Ladda L bestäms av förhållandet mellan längderna b och en

 

(7.1) L = E. (b/a)

 

Sedan, för en normal oar, en är större än b, den kraft som uppträder vid bladet är mindre än den kraft som appliceras till handtaget. Om detta inte verkar vara en bra idé, kom ihåg att avståndet rörd av bladet är motsvarande större än det avstånd som flyttade från handtaget, så att V gjort i vardera änden av oar, definieras som produkten av (Kraft x Sträcka), är fortfarande den samma. Om oar är flyttade till en vinkel y, avståndet rörd av handtaget är b.y, och med klingan en.y, så att det arbete som görs i varje ände av oar är:

 

(7.2) hantera: V = E. b.y
(7.3) blade: V = L. a.y = E.(b/a).en.y = E. b.y (med 7.1)

 

För en utomstående observatör (t ex FISA-officiell ställning på banken) denna situationen ser helt annorlunda ut, den stationära delen (=vridpunkt) verkar vara bladet snarare än porten, vilket ger följande Klass 2 spak:

 

Figur (7.2)

 

I denna konfiguration Lasten appliceras på stiftet och som ges av förhållandet mellan längd a+b för att längd en:

 

(7.4) L = – E.(a+b)/a = E + E.(b/a)

 

I detta fall oar förstärker den kraft som anbringas på handtaget. Men observera att de krafter och riktningar längs oar är samma som i Fig. (7.1) (“balanspunkt” och “belastning” är bara märkas) så att den tvingar på båten och på vattnet förblir också desamma. Detta är faktiskt en allmän princip:

Beräknade krafterna är de samma i alla referensram rör sig med en konstant hastighet.

Även om den “stillastående blade’ ram (Fig. (7.2)) är att föredra coaching synvinkel (t ex undervisning roddare att spaken båten förbi i slutet av oar snarare än att dra bladet genom vattnet), ‘båten’ ram (Fig. (7.1)) har lättare matte, så vi får använda det när man diskuterar nettoskuldsättningsgrad i nästa avsnitt. Svaren kommer att vara den samma i alla fall.


 

8. Skuldsättningsgrad

gearing av en spak kan vara uttryckt som kvoten mellan avståndet rörd av lasten till det avstånd som flyttade genom det här arbetet, som också är den samma som förhållandet mellan avstånd av Belastning och Ansträngning från Vridpunkten R (=(a/b)) Fig. 7.1). Detta förhållande R avgör hur “lätt” (små R) eller “tunga” (large R) vattnet känns vid en viss fart i båten.

Tyvärr, belastning och ansträngning på en åra inte tillämpas på helt enkelt definieras poäng så att skuldsättningsgraden är konventionellt uttryckt i termer av längd, vilket kan vara bekvämt mätt.

 

Figur (8.1)

Avståndet en är oftast tas som oar utombordare längd (Fig. 8.1), mätt från spetsen av knivbladet till den yttre sidan av knappen. Men detta i sin tur oftast uttryckta i termer av inombordare längd (~115cm), som är enklare att mäta, och totallängd (~375cm), som är (oftast) fast (en~375-115=260cm).

Avståndet b approximeras med p, även känd som sprids eller T. D. (‘Thwartship Avstånd’), som för en sopa-riggad båt är avståndet mellan centrum av pin-och mid-line-båten (NB Span för skallar definieras som dubbel detta, dvs pin-till-pin-avstånd). Observera att b inte som definieras av inombordare längd – det antas att roddaren effektivt gäller trycket på de oar över centrumlinjen av båten, inte på toppen av handtaget.

För att ändra span kräver att flytta kartnålen ut (lättare) eller i (hårdare) och har även effekten av att ändra bågens längd rodde. Informationen beror på riggare design, men kräver oftast en större rigg session.

Det finns flera metoder för att ändra utväxling via utombordare längd. I stigande ordning efter tid som krävs, dessa är:

  1. “Musslor” på utsidan av knapparna. Detta är ett effektivt sätt att klämma på extra knappar som förkorta utombordare med ca 1cm och därför lätta utväxling.
  2. Flytta knappen sig mot sked (ljusare) eller handtag (tyngre).
  3. Ändra oar längd. Att hålla inombordare samma, längre åror känns tyngre, kortare åror lättare.
  4. Ändra sked design. Cleavers effektivt applicera belastningen närmare toppen än Macons, vilket är anledningen till att cleavers är oftast flera cm kortare för att ge en “motsvarande” känna sig för samma inombordare och span.

För att hitta motsvarande förändringen da i utombordare en som lämnar gearing (a/b) oförändrad efter en förändring db – i ett < span > b:

(8.1) a/b = (a+da)/(b+db)
(8.2) 1 + db/b = 1 + – da/a
(8.3) da = (a/b).db

Sedan en är ~260cm, b är ~85cm, (a/b) är ca 3, som är den oftast citerade faktor för att likställa förändringar i span förändringar i knappen position. Till exempel, att öka spännvidden av 1 cm bör “känna” det samma som att flytta knapparna ut 3 cm.

Bilaga: Newtons rörelselagar

  1. En kropp fortsätter i ett tillstånd av vila eller likformig rörelse om inte påverkas av en yttre Kraft
  2. graden av förändring av rörelsemängd är proportionell mot den Kraft som appliceras
  3. Varje Handling har en lika stor och motsatt Reaktion

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *