Обеспечение успеха в экстремальных велоэкспедициях Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Автономия личности - 2010 - №1(1)

155

ОБЕСПЕЧЕНИЕ УСПЕХА В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ВЕЛОЭКСПЕДИЦИЯХ С.Ю. Махов, М.А. Бодров

При организации экстремальных велоэкспедиций на дальние расстояния перед организаторами ставится задача определения наиболее важных факторов определяющих успех экспедиции. Среди них выделяют физическую, техническую и тактическую подготовленность его участников, продуманность в подборе группового и личного снаряжения, продуктов, медикаментов, слаженность действий велотуристов на маршруте, психологическая атмосфера в группе. Но, пожалуй, в наибольшей степени на быстроту перемещения по маршруту и безопасность путешествия влияет владение техникой езды по самым разным дорогам, тропам и вообще бездорожью. Авторы, конечно, сознают, что по книге хорошо ездить не научишься, техника езды достигается только на практике.

Характер езды по ровной и гладкой дороге по равнинной местности определяют в основном атмосферные условия (температура воздуха, положение и открытость солнца, направление ветра, осадки) и качество покрытия дороги. В отличие от дороги извилистой или идущей по пересеченной местности, где условия работы все время меняются, на горизонтальных участках велосипедист при равномерном педалировании имеет возможность максимально расслабиться. Чтобы избежать переутомления именно от однообразия работы, нужно время от времени несколько менять ее характер, давать нагрузку другим мышцам, в частности, менять передачи, положение тела на седле, педалировать сериями оборотов. При ветре на открытых участках шоссе члены группы едут как можно ближе друг к другу, при встречнобоковом ветре - располагаясь, в зависимости от направления ветра, ступенькой вправо или влево.

При езде по пересеченной местности надо придерживаться принципа равномерных усилий, а не равных скоростей, то есть максимально разгонять велосипед на спусках (насколько позволяют дорога и опыт велосипедиста) и не прилагать чрезмерных усилий на подъеме, стараясь, на него во что бы то ни стало, въехать. При езде в форсированном режиме потеря сил происходит быстро, особенно на подъемах. В целях экономии сил следует почаще пользоваться переключателем передач.

На пологом коротком подъеме велосипедист плотно сидит в седле, мышцы плечевого пояса и туловища расслаблены. Перед подъемом нужно прибавить скорость. Подъем преодолевается с ходу на одной передаче. Пологие затяжные подъемы вначале преодолевают так же, как короткие, а при падении скорости ставят меньшую передачу и равномерным круговым педалированием проходят почти весь подъем. В конце подъема можно применить способ педалирования «танцовщица». Если же скорость теряется задолго до конца подъема, надо перейти на меньшую передачу. Тут важно вовремя подхватить ее при достаточной скорости. Короткие крутые подъемы стараются брать с ходу, не меняя передачи и предварительно набрав скорость. В конце подъема можно применить способ «танцовщица» либо просто спешиться.

Крутые продолжительные подъемы целиком преодолеть на велосипеде удается не всем и не всегда. В начале подъема последовательно меняют передачи на самую пониженную, применяют способ «танцовщица», а как только вращение педалей становится затруднительным, сходят с велосипеда и преодолевают подъем пешком. Практика показывает, что езда на крутых подъемах дает почти ту же скорость, что и в движении пешком, а затраты энергии требуют гораздо большей. Наконец, поднимаясь пешком, можно свободнее обозревать окрестности. На особом счету у велотуристов стоят крутые продолжительные подъемы на горные перевалы. Здесь уже необходимо оснащение велосипеда звездочками с малым передаточным отношением. Наиболее употребляемое соотношение при подъемах на горные перевалы - 1:1 (чаще всего - 32 зуба у ведущей звездочки и столько же у ведомой). У горных велосипедов самая маленькая ведущая звездочка бывает даже меньше самой большой ведомой звездочки.

156

Рекреация, туризм и окружающая среда

Подъемы на горные перевалы требуют особой техники и сноровки. По характеру дорог, крутизне подъема и т.д. перевалы называют велосипедными (подъемы на них преодолеваются полностью на велосипеде), велопешеходными (часть - на велосипеде, а часть - пешком) и пешеходными. Если продолжительность пешего подъема небольшая, то велосипед просто ведут руками сбоку. При длительном подъеме на перевал рекомендуется на тормозных ручках закрепить веревочный руль («вожжи») и, держась руками сзади за рюкзак, катить велосипед вперед, управляя веревочным рулем. На труднопроходимых участках, где дороги или тропы отсутствуют, но много камней и валунов, необходимо рюкзак снять с велосипеда и надеть на плечи.

Каждое дорожное покрытие требует своей техники велоезды. Двигаясь по брусчатке и булыжному шоссе, надо поставить цепь на большую ведомую звездочку, равномернее распределить груз (немного прибавить на передний багажник, но не более 5 кг). На спуске следует притормаживать обоими тормозами. Особую осторожность надо соблюдать на мокрой булыжной мостовой. А лучше всего ехать по обочине таких шоссе или идущей параллельно дороге, тропе, если такая есть.

По грейдерным дорогам, усыпанным галькой или мелкой щебенкой, ехать тоже нужно на малой передаче, стараясь сохранять прямолинейность движения.

Своих навыков требуют грунтовые дороги и тропы. Опытные велотуристы, хорошо владеющие техникой езды, стараются сложные участки преодолевать в седле, спешиваясь лишь перед теми препятствиями, переезд через которые грозит поломкой велосипеда или травмой. При приближении к сложному участку важно уметь далеко вперед просматривать дорогу от одной ее кромки до другой и выбирать наилучшую колею или даже необходимость объехать препятствие (лужу, канаву, упавшее дерево и т.д.) по боковой тропе.

На рыхлом песке и на дороге с толстым слоем пыли следует опасаться юза, поэтому здесь нельзя развивать большую скорость. Небольшие песчаные участки преодолевают с ходу на средней или малой передаче, так как переключение на песке весьма затруднительно. На песчаной дороге не делают резких поворотов, нужно крепче держать руль, увеличить дистанцию до 6-10 метров, а на спуске - до 20-30 метров. На подъеме на песчаных дорогах лучше идти пешком, потому что здесь нужны очень большие усилия. Протяженные песчаные участки маршрута лучше преодолевать утром, когда песок увлажнен.

На извилистых дорожках и тропах, идущих через густой лес и кустарник, нужно соблюдать безопасную дистанцию. В случае, если путь лежит по тропе через заболоченный лес, целесообразно предварительно произвести пешую разведку. Заболоченные участки, покрытые густым мхом, травой, кустарником, деревьями, могут быть непроходимыми. Под яркой зеленой растительностью, густой высокой травой часто скрывается вода. По гатям надо ехать на малой скорости, а по старым гатям лучше идти пешком.

По лесным дорожкам, где много мелких препятствий (канавок, корней, упавших деревцев и т.д.), ехать надо медленно. Наскочив на скорости на корень, можно выбить спицы. Самое неприятное для велосипедиста, когда мелкие препятствия (ямка, канавка, ствол поваленного деревца и т. д.) появляются внезапно перед колесами на гладком участке дороги, так что затормозить некогда. В этом случае лучше всего через препятствие перепрыгнуть вместе с велосипедом. Если скорость движения большая, можно оторвать от земли сразу два колеса и перепрыгнуть через препятствие или хотя бы смягчить удар. Привстав на педалях, велотурист резко бросает все тело вперед и вверх и одновременно поддергивает руками за руль велосипед. Однако, несмотря на технику езды, куда более важное значение имеет сам велосипед, а точнее надежность его отдельных частей. В результате экспедиции по северо-западной части России на велосипедах компании «Вело-моторс», были выявлены наиболее уязвимые составляющие велосипеда - спицы. Для выяснения причины поломки спиц необходимо провести физико-математический анализ и составить математическую модель спицы при движении велосипеда по дорогам с разными покрытиями.

Рассмотрим основные силы, действующие на спицы при движении велосипеда (рис. 1).

Автономия личности - 2010 - №1(1)

157

Рис. 1. Основные силы, действующие на велосипед при его движении

Среди сил, действующих на спицы можно выделить силы, обусловленные действием веса кофра, велосипедиста, а также обусловленные скоростной составляющей.

На рис. 1 представлены векторы действующих сил в декартовой системе координат.

Для вычисления общей силы произведем сложение сил по правилу параллелограмма с учетом знаков, обусловленных направлением выбранных осей.

Приведем силу, возникающую под действием веса человека к силе вызванной действием веса кофра, в результате получим силу

Fo = Fh ■ cos a (1)

Произведя сложения сил их проекций получим:

Fp = Fo + Fk + Fkx - Fox + Fde - Fmp - Fdex - Fmpx (2)

Учитывая равенство нулю проекций сил на оси из-за их перпендикулярности осям получим выражение, определяющее общую силу, действующую на велосипед.

Fp = Fo + Fk + Fde - Fmp (3)

Однако, в выражение (3) следует добавить составляющую, обусловленную давлением в шинах велосипеда, таким образом, получим выражение (4):

Fp = (Fo + Fk) + p ■ s + Fde - Fmp (4)

При сниженном давлении в шинах, происходит деформация камеры, что уменьшает микропрогиб обода колеса, в результате чего снижается напряжение в теле спицы, вызванное ее сжатием. В результате снижения давления в шинах происходит увеличение другой составляющей, а именно скоростной, т.е приходится увеличивать нагрузку на педали, КПД велосипеда.

Также учесть скоростную составляющую, вычисляемую по формуле: F = m ■ a, как видно из формулы данную составляющую можно уменьшить за счет снижения массы кофра и велосипедиста, а также за счет равноускоренного движения, т.е движения с постоянной скоростью, что возможно при правильной организации движения группы, т.е в одном ритме. Вязкость среды оказывает влияние на микропрогиб спиц и обода, снижая его, поэтому при движении по песку, грязи даже на приличной скорости поломки спиц не происходит. Основной причиной, вызывающей поломку спиц при действии описанных сил является местное перенапряжение спицы, возникающее при установке новой спицы, так в полевых условиях невозможно одинаково установить натяжку всех спиц, т.е. достаточно сломать одну спицу и поломка остальных также обеспечена.Рассмотрим конструкцию спицы и найдем ее самое уязвимое место:

Шейка

О

Рис. 2. Конструкция спицы

158

Рекреация, туризм и окружающая среда

Как видно из рисунка 2 спица закрепляется в двух местах, где ее перемещение невозможно, поэтому сжатие спицы, вызванное микропрогибом обода под действием весовой составляющей силы, микроперемещение тела спицы в точке соединения тела спицы и ее шейки. Постоянное перемещение приводит к снижению упругих свойств и образованию местного упрочнения - наклепа, в результате чего тело спицы отрывается от шейки под действием нагрузки.

Также при этом следует учесть технику трогания с места, когда возникает наибольшее напряжение в спице. При трогании без предварительного инерционного разгона увеличивает время действия весовых составляющих силы, тем самым увеличивается вероятность достижения предельного напряжения в спице, приводящее к ее поломке.

Движение с постоянным изменением угла наклона относительно дороги, приводит к возникновению дополнительных сил, действующих по касательной, которые вызывают дополнительное колебание в спице, вызванное микродефформацией обода.

Таким образом, на спицы влияют следующие составляющие общей силы:

Вес человека, угол между перпендикуляром и стойкой сиденья, вес кофра, давления в шинах, сила обусловленная скоростной составляющей, сила трения, вязкость среды, способ трогания с места, манера езды.

Поэтому при выборе велосипеда для дальних походов необходимо руководствоваться следующими соображениями: выбирать велосипед с увеличенной толщиной спиц, более прочным ободом, что позволит снизить их микропрогиб, а соответственно и деформацию спицы.

Определим необходимые величины для расчета прочности обода.

Напряжение возникающее в ободе и в спице вычисляется по формуле:

a=NzfF<[a], (5)

Г де Nz - сила возникающая в спице,

F - площадь сечения обода, спицы.

[<г] - максимальное напряжение для материала обода.

Для проверки прочности вычисляется коэффициент запаса n по формуле:

п =--

G

G:

>[*]

(6)

Где сг*- предельное (или опасное) напряжение, т. е. напряжение, вызывающее отказ эле-

мента конструкции.

После определения фактического коэффициента запаса прочности п, сравниваем его с нормативным коэффициентом запаса [n]

Подбор сечения при проектировании обода осуществляем по заданной нагрузке (Nz =Fr) -определяем размеры поперечного сечения стержня (F) из заданного материала ([<т] дано). Минимальное значение F получим, если в условии прочности (5) принять знак равенства:

[F] = NJ[a] (7)

Рассмотрим скоростную составляющую общей силы, при этом будем принимать во внимание, что линейная скорость перемещения зависит от частоты вращения колеса, его радиуса.

Рассмотрение будем производить с точки зрения теории колебаний.

Параметрическое возбуждение колебаний возникает в спице под действием периодически изменяющейся продольной силы, при этом она совершает поперечные колебания.

Спица (рис. 5) совершает собственные поперечные колебания с частотой р.

(8)

Автономия личности - 2010 - №1(1)

159

Рис. 5. Спица, совершающая колебания

При этом верхняя опора получает небольшие вертикальные перемещения I с удвоенной частотой (рисунок 6).

Рис. 6. Графики колебаний спицы

Она опускается вниз при отклонениях центра спицы х влево и вправо и занимает наивысшее положение, когда центр проходит положение статического равновесия. Если продольная сила изменяется также с частотой вдвое большей, чем частота поперечных колебаний центра спицы (рис. 6 в), то она при каждом цикле совершает работу и энергия системы непрерывно нарастает. Составим уравнение движения центра спицы:

mx-r c(t)x= 0.

В данном случае жесткость спицы с является функцией времени, так как она зависит от величины продольной силы P(t), приложенной в данный момент. В соответствии с приближенной формулой:

<><*) = Ml — (Ю)

где с0 - жесткость спицыя при отсутствии продольной силы;

Pэ - эйлерова критическая сила для стержня.

Таким образом, уравнение (9) может быть записано в виде

х + р~ [ I — Р \1)/Рэ ] х =-■ 0 [р* — с6/т)

(11)

Сосредоточим внимание на одном периоде т изменения параметра. Сконструируем два решения уравнения (11), удовлетворяющие начальным условиям:

JCi(N)=l, (0) = 0,

i

а3(0)—0, лгп(0)=1.

Очевидно, что построить такие решения можно всегда, хотя бы путем численного интегрирования уравнения (11). Тогда общее решение уравнения (11) получит вид:

Л' (0 = х (0J Arj (f) + а (0) х2 Ш .

где x'(0) и x(0) - начальные значения скорости и смещения. Вычислим значения х и х в конце периода при t =т

I L I 4

.с(т) - I

(12)

(13)

(13)

160

Рекреация, туризм и окружающая среда

Если предположить равенства:

= (JA' (0), .цт) = и*-(0), (14)

где о- число, большее единицы, то это означает, что в течение периода т и смещение и скорость возрастают в о раз. При следующем периоде снова произойдет такое же возрастание размахов и т.д. Таким образом, при |о| > 1 уравнения (13) являются достаточными условиями неустойчивости процесса и неограниченного нарастания колебаний. Подставив в уравнения (14) выражения (13), получим систему:

X, (т) — т, х.. (т) МЙ, *;(т} — (Г

линейных однородных уравнений относительно x'(0), x(0). Условие наличия нетривиальных решений этого уравнения приводит к равенству, т. е. к квадратному уравнению относительно о

с3 — [х,(т) 4- *г{*)1в Н- —x„(t} = 0 (15)

Свободный член уравнения (15) тождественно равен единице х1 и х2 являются решениями уравнения:

4 ■ J ь

A'j =* 0, хг + с(0*а— О- (16)

Умножая первое из этих равенств на x2, второе - на х1, вычитая почленно и интегрируя от нуля до т, находим:

| Hi = [ jgXj — — 0

. 5 ’ . ' (17)

Xi (т) — х. (т) jfa (i) — х, (U) -t, (0} — JCj (0)*Я(Ш — 1.

т.е. "

Таким образом, характеристический множитель определяется равенством

п^Д + \rA^l

где

Очевидно, что если:

М I > 1 (18)

то одно из значений |о| > 1 и движение неустойчиво. Если |о| < 1, то действительные значения а отсутствуют и неустойчивое движение, отвечающее уравнениям (14), невозможно.

Пограничным является случай |А| = 1, |о| = 1. Таким образом, для того чтобы установить, имеет ли место параметрический резонанс при данном законе изменения параметра, необходимо вычислить решения X1(t), x2(t) и проверить соблюдение неравенства (18).

Учитывая вышесказанное можно сделать вывод, что при дальних походах важна не только техническая подготовка группы, но и надежность велосипедов.