Почти по Хэмингуэю

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Миндалиев А.И. 1

---

1МОУ-СОШ 4

Елисеев С.А. 1

---

1МОУ-СОШ 4

Работа в формате PDF

135.8 KB

Введение.

"Я начинал много рассказов про велогонки, но так и не написал ни одного, который сравнился бы с самими гонками..." - так своеобразно выразил своё восхищение велоспортом американский писатель Эрнест Хемингуэй.

Актуальность данного проекта может рассматриваться в связи с объективной необходимостью поддерживать спортивную форму в любое время года, при любых погодных условиях и в любое время суток, отсутствием проблем с питанием и обезвоживанием организма во время тренировочных занятий. На велотренажёре, конструкцию которого я предлагаю можно имитировать езду на ровных участках дороги с постоянной и переменной скоростью педалирования. Это, конечно, только небольшая часть всех плюсов связанных с работой на велотренажёре. Сторонники велотренажёров могут найти ещё массу положительных деталей.

На сегодняшний день самым распространённым видом велотренажёров является стационарный (под заднее колесо). При использовании станков данного типа велосипед устанавливается задним колесом на ролик велотренажёра, при этом эксцентрик заднего колеса зажимается определённым образом. Благодаря этому велосипед опирается задним колесом на 3 точки - эксцентрик с 2-х сторон и ролик. Под передним колесом часто ставят подставку, которая задаёт положение велосипедиста относительно горизонтали.

Предметом моего изучения стало вращательные движение и равновесие движущегося велосипеда.

Объектом изучения стал собственно велотренажёр.

По моему предположению велосипед может сохранить равновесие, оставаясь на одном месте при условии вращения его колёс.

Целью данного проекта стало создание, на основе соответствующих расчётов, действующей модели тренировочного велотренажёра.

В ходе реализации проекта были поставлены и решены следующие задачи:

• Выяснить оптимальную частоту педалирования велогонщика при условии минимальных энергозатрат;

• Рассчитать частоту вращения заднего колеса велосипеда при частоте педалирования 1 об/с;

• Рассчитать частоту вращения роликов;

• Подобрать диаметр роликов и модели подшипников;

• Скомпоновать конструкцию модели велотренажёра;

При разработке модели данного велотренажёра я разделил конструкцию на составные части в цепях изучения особенностей их работы; распределил собранную по теме информацию по этапам конструирования и, наконец, сделал выводы, послужившие теоретической и практической основой будущей конструкции.

Практическая значимость данной проектной работы состоит в том, что путём её реализации я смог соединить надежды любителей велоспорта на круглогодичные занятия с реальностью их исполнения.

1.Основная часть.

1.1. Условие равновесие велосипеда.

Почему же велосипед не падает?

Для начала рассмотрим устройство велосипеда. Речь идёт о давнем споре учёных, почему велосипед не падает. Например, давайте пустим велосипед ехать без водителя. Велосипед упадёт не сразу, а проехав достаточно большое расстояние около 50 метров. Есть также неоспоримый факт, что если велосипед стоит на месте, то удержаться на нём очень сложно. Если же он едет, велосипедист сделает это без труда. Чем же объяснить подобные эффекты?

Большая часть учебников механики и пособий по езде на велосипеде либо не рассматривает вопрос об их устойчивости вовсе, либо считает его слишком простым. Считается, что велосипед балансируется усилиями велосипедиста: когда велосипедист чувствует, что машина падает, он поворачивает её в сторону падения. Велосипед заворачивает и едет по кривой. Это помогает ему вернуться в вертикальное положение и избежать падения.

Более сложная теория, якобы объясняющая устойчивость велосипедиста, учитывает гироскопический эффект от его переднего колеса. Гироскопом обычно называется тело, достаточно быстро вращающееся вокруг своей оси. Классический пример гироскопа – обычный волчок. При попытке наклонить ось вращающегося волчка вы почувствуете сопротивление. Ось волчка начнёт перемещаться не в том направлении, куда вы его толкаете, а в перпендикулярном. Это явление называется «гироскопическим эффектом». Благодаря ему ось вращающегося волчка обычно движется по конусу, как это показано на рисунке 2: под действием силы тяжести, направленной вертикально, ось поворачивается в горизонтальной плоскости. Направление поворота оси зависит от направления вращения волчка вокруг оси.

Чем больше масса волчка и скорость его вращения, тем больше гироскопический эффект: тем быстрее поворачивается ось волчка при попытке его наклонить. Быстро вращающееся переднее колесо — это тот же волчок. При наклоне велосипеда на ось колеса действуют силы, стремящиеся повернуть её вместе с велосипедом. При этом ось, вилка и руль за счёт гироскопического эффекта должны поворачивать в плоскости, перпендикулярной плоскости велосипеда. Велосипед заворачивает и благодаря этому возвращается в вертикальное положение.

Привлекательность этой теории в том, что велосипед копируется катящимся обручем, который действительно устойчив именно по этой причине. Велосипед в такой интерпретации попросту обруч с прицепом.

Некоторые скептики высказали сомнение по поводу этой теории. Они чувствовали, что масса велосипедного колеса слишком мала, чтобы создать гироскопический эффект, достаточный для выравнивания тяжёлого велосипеда.

Д.Х.Э. Джоунс в 1970 году начал свою серию экспериментов по этому вопросу. Здесь я не буду вдаваться в суть этих экспериментов, заострю внимание лишь на полученном Джоунсом результате: гироскопический эффект при езде на велосипеде присутствует, однако сколько – нибудь заметно проявляется лишь при движении с достаточно большими скоростями.

Из этого факта для себя я сделал вывод, что в конструкции моего велотренажёра, колёса велосипеда должны вращаться с достаточно большой скоростью, причём для достижения большей устойчивости это должны делать оба колеса. Стала очевидной необходимость привода с заднего колеса на переднее.

Эксперименты теоретиков с геометрией передней вилки показались интересными, но для меня бесполезными – я не собирался вмешиваться в конструкцию самого велосипеда, скорее наоборот нашей целью было создание велотренажёра, адаптированного под любые модели велосипедов.

На рисунке представлены различные варианты конструкций передних вилок велосипедов. Результат экспериментов – точка контакта переднего колеса с Землёй должна находиться за передней осью руля. Этот факт нам тоже предстояло учесть в компоновке роликов велотренажёра.

И так приступим к расчётам частот вращения колёс, роликов и подшипников будущей конструкции велотренажёра.

1.2. Расчёт частот вращения заднего колеса и роликов.

Количество зубьев ведущих звёздочек

Z1=50; Z2=34; (компакт-система).

Количество зубьев ведомых звёздочек (кассета).

Передаточные отношения составят:

Оптимальная частота педалирования согласно рекомендациям спортивных медиков и тренеров составляет 1 -1.6 об/с.

Исходя из этого частота вращения ведущего колеса (заднего) составит:

Диаметр заднего колеса велосипеда D=670 мм, диаметр роликов велотренажёра d=61мм, передаточное отношение этой пары составит:

I=D/d=11

Максимальная частота вращения ролика:

ν max=ν1 × 11=7.2 × 11=79.2 об/с. (3,2)

Минимальная частота вращения ролика:

ν min=ν10 × 11=2.7 × 11=29.7 об/с

Скоростные режимы движения на велосипеде по шоссе при этих частотах педалирования составят:

Vmax =2 ×π ×ν× D × I1/2=6.28 × 1 × 0.67 × 4.5/2=20 м/с (72 км/ч)

Vmin=2 ×π × ν × D ×I20/2=6.28 × 1 × 0.67 × 1.7=3.6 м/с (15 км/ч)

1.3. Расчёт и подбор подшипников.

- требуемое значение динамической грузоподъёмности, необходимое для подбора подшипников, где:

Н; - долговечность, час.,

(для шариковых подшипников);

- коэффициент безотказности работы;

= 0,75 – коэффициент качества.

Значения коэффициентов взяты из книги Галахов М.А., Бурмистров А.Н., «Расчёт подшипниковых узлов», Машиностроение,1988г.

= +Y ; где:

X=1- коэффициент радиальной нагрузки;

V=1, 2 – коэффициент вращения наружного кольца;

Y=0 – коэффициент осевой нагрузки;

и – радиальная и осевая нагрузки;

=1,4 – коэффициент безопасности;

=1 – температурный коэффициент (для температуры до 100 ),

=1000 Н. (для гонщика массой 100 кг.).

Итак =XV = 1 с учётомтого что n=79,2 (см.стр.6-7), = ; где: L= ; где : =1680Н., C= 2 =2х1000=2000Н. находится на ней., р=3 для шариковых подшипников.

Тогда L= =1,7, значит = = 357.7ч. и для = 2206,7.

На основании полученного значения с учётом пятикратного запаса прочности (5 2206=11030) выбираем подшипник сверхлёгкой серии «0» под номером 302 внутренним диаметром 15мм. и внешним диаметром 42мм.

Значения всех коэффициентов и марка подшипника подобраны из книги Галахов М.А., Бурмистров А.Н., «Расчёт подшипниковых узлов», Машиностроение,1988г.

1.4. Этап конструирования.

Основным элементом конструкции велотренажёра являются ролики, диаметр которых влияет на величину усилия необходимого для их вращения: больше диаметр – больше плечо силы – больше вращающий момент. В качестве основы ролика я взял полипропиленовую трубу диаметром 63 мм. ГОСТ Р 52134 – 2003. Государственный стандарт предполагает наличие труб аналогичного материала диаметром 91 и101мм., однако их стоимость оказалась слишком высокой, да и продаются они только по 4 метра.

После расчета и подбора подшипников, отталкиваясь от внутреннего диаметра (15 мм.) был выбран наружный диаметр стального прутка для изготовления осей роликов – 18 мм. (ближайший по ГОСТ). Оси изготовил в школьной мастерской на токарном станке ТВ – 7 длиной 480 мм. На концах осей нарезал резьбу М12 на длину 50 мм. и затем с натягом (на диаметр 15,09 мм на длине, равной ширине подшипника) насадил подшипники.

Наружный диаметр подшипника 302 составляет 42 мм., в то время как внутренний диаметр трубы составляет 46 мм. Возникла необходимость изготовления оправки под подшипник. Её я изготовил из полипропиленовой трубы наружным диаметром 50 мм. на всё том же токарном станке ТВ – 7. Затем, используя моментальный клей, сначала запрессовал в ролики оправки, а потом и оси с насаженными на них подшипниками. Во избежание продольного смещения роликов, подшипники зафиксировал шайбами с гайками М12.

В качестве материала рамы подошли бывшие в употреблении алюминиевые багетки длиной 4м. Расстояние между осями колёс данного велосипеда составляет 0,96 м. Мною были отрезаны две полосы по 1.4 м, в которых ножовкой по металлу прорезал шесть отверстий под оси роликов, которые закрепил с помощью двух гаек и двух шайб.

Средний (ведущий) и передний ролики соединил с помощью привода из обычной синтетической бельевой верёвки диаметром 3 мм. Чтобы верёвка не слетала с роликов при работе велотренажёра на ролики наклеил четыре сегмента (по два на ролик) между которыми закрепил верёвку.

С целью снижения вибраций при работе велотренажёра и, как следствие, снижения шума на раму установил шесть резиновых подушек с помощью двенадцати болтов М5.

2.Заключение.

В ходе выполнения данной проектной работы я расширил свои знания в части применения законов механики вращательного движения и, опираясь на расчетную часть проекта, сконструировал велотренажёр для круглогодичных занятий велоспортом в домашних условиях.

Данные в проекте рекомендации по монтажу, устройству и выбору материалов для конструкции велотренажёра позволят изготовить его максимально быстро и с минимальными финансовыми (и нервными) затратами (порядка 1500-1600 рублей), а сам велотренажёр поможет не терять физическую форму велосипедистам в межсезонье.

3.Список источников информации:

1.Г. А. Бендриков, Задачи для поступающих в ВУЗы: Учебное пособие.-СПб.: Специальная литература.,1995.-415с.

2.Б.Б. Буховцев, Сборник задач по элементарной физике: М.:Наука.1987.-416с.

3.Галахов М.А., Бурмистров А.Н., «Расчёт подшипниковых узлов», Машиностроение,1988г.

4.А. П. Рымкевич, Сборник задач по физике. М.:Дрофа., 2012г( и другие года издания)

5.Журнал «Квант», №12,1970г.

6.Сайт «Транспорт Русь» http://transportda.ru/article30.html