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帆板摇帆机理探讨及摇帆训练器的研究与开发 摘要 北京申办2 0 0 8 年奥运会的成功，给中国的体育事业带来前所未有的发展机 遇。针对我国体育运动的关键问题，国家体育总局组织实施了奥运科技攻关研究， 本课题就是专项体能训练研究类中的帆板力量训练、测试设备的研制项目。 肌肉力量是影响运动水平发挥的重要因素之一，等速肌力训练不但对提高竞 技水平起到很大的作用，而且其所特有的顺应性阻力还可以大大减少训练中的意 外损伤。鉴于摇帆在帆板竞赛中的重要作用，研制出基于等速技术的帆板摇帆训 练器就显得非常重要。 本文介绍了帆板摇帆的基本动作和摇帆方式，通过分析帆板的受力情况，得 出迎风航段风向角、帆角的最佳理论值，并对摇帆提高航速的运动机理进行了探 讨；阐述了基于等速技术的摇帆训练器的研制开发。该系统实现了水上运动陆上 训练，为帆板运动员提供了一个良好的训i 练和测试平台。 摇帆训练器的机械结构采用人性化和模块化的设计思想，操作简便，调节方 便，能够实现对各种摇帆方式的模拟。控制系统采用单片机控制技术、l e d 显 示及l c d 显示技术。实现了等速和等张阻力特性以及各种运动参数和生理参数 的测试。 本课题研制了风轮和伺服电机两种阻力源，前者能够实现等速阻力，后者能 够实现等速和等张两种阻力特性。两种阻力源良好的通用性为等速技术在其它训 练器材上的应用提供了条件。 关键词：摇帆机理；等速技术；阻力源；p i d 控制；s o | d w o r k s 软件 r e s e a r o ho np u m p i n gp r i n c i p i u ma n dd e v e i o p m e n to f p u m p i n gi r a i n i n ge q u i p m e n t a b s t r a c t w i i l l l i n gt h eb i df o rh o s t i n g2 0 0 8s u l n l t l e ro l y m p i cg a m e sb r i n g sc h i n ag r e a t o p p o r t u n i t yf o rd e v e l o p i n gh e ro w ns p o r t si n d u s t r y as e r i e so fr e s e a r c ho no l y m p i c h a v eb e e ni m p l e m e n t e db yg e n e r a la d m i n i s t r a t i o no fs p o r ti no r d e rt ot a c k l ek e y p r o b l e m si ns p o r t ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf i e l d r e s e a r c hi nt h i sp a p e ri sp a r to ft h e w h o l ep l a nm e n t i o n e da b o v e , w h i c ha i m sa te n h a n c i n gt h es t r e n g t hi ns a i l b o a r d p u m p i n ge x e r c i s e sa sw e l la st e s t i n gt h et r a i n i n ge f f e c t m u s c l es t r e n g t hi n f l u e n c eg r e a t l yo na t h l e t e s p e r f o r m a n c ed u r i n gam a t c h ， e x c e p tf o ri m p r o v i n gt h ea t h l e t i c sl e v e l ，a c c i d e n t sc o u l db ea v o i d e de f f e c t i v e l yb y a d o p t i n gt h em u s c l es t r e n g t he x e r c i s e sb a s e do ni s o k i n e t i cr e s i s t a n c e s i n c ep u m p i n g i so fc r i t i c a li m p o r t a n c ei nw i n n i n gac o m p e t i t i o n , t od e v e l o pas e to fs a i l b o a r d p u m p i n gt r a i n i n ge q u i p m e n tb a s e do ni s o k i n e t i ct e c h n o l o g yi sq u i t en e c e s s a r y t h i sp a p e rd i s c u s s e st h eb a s i ca c t i o n sa n dm a n n e r so fp u m p i n g ，a n a l y z e sf o r c e s p r e s s e do ni t t h eo p t i m a lv a l u e s o fw i n da n g l ea n ds a i la n g l ea r ef o u n db yt h e c a l c u l a t i o no fo p t i m i z e du p 埘n dc o u r s ei nt h e o r y w ea l s oc o n c e n t r a t eo nt h ew h o l e p r o c e s sf o rd e v e l o p i n gt h e s a i l b o a r dp u m p i n gs y s t e m t h i se q u i p m e n tt u l t i st h ed r e a m o f t r a i n i n go nl a n d i n t or e a l i t y , a n do f f e r st h ea t h l e t e saw o n d e r f u lp l a f f o r mf o r t r a i n i n ga n dt e s t i n g c h a r a c t e r i s t i ca n dm o d u l a r i z a t i o nm e t h o d sa r ee m p l o y e dh e r ei nd e s i g n i n gt h e m e c h a n i c a ls t r u c t u r e ，w h i c hc a na l m o s ts i m u l a t ea l lk i n d so f p u m p i n gm a n n e r s ，a n di s e a s yt oo p e r a t e , c o n v e n i e n tt oa d j u s t m c u ，a st h ec e n t r a lp r o c e s su n i t , t o g e t h e rw i 廿1 l c d & l e d d i s p l a y i n gt e c h n o l o g yc o n s t i t u t e st h ew h o l ec o n t r o l l i n gs y s t e m ，w h i c h c a nr e a i i z eb o mi s o k i n e t i ca n di s o t o r i l er e s i s t a n c ec h a r a c t e r t h i sp a p e rt a l k sa b o u tt w or e s i s t a n c es o u r c e s ，i e p n e u m a t i cr e s i s t a n c ea n d e l e c t r o n i cr e s i s t a n c e ，t h ef o r m e rc o u l dp r o d u c ei s o k i n e t i cr e s i s t a n c e ，t h el a t e rc o u l d r e a l i z eb o t hr e s i s t a n c et y p e sm e n t i o n e da b o v e b o t hs o u t c c sc o u l db et r a n s p l a n t e dt o o t h e rf a c i l i t i e si nt r a i n i n ga n df i t n e s si n d u s t r y k e yw o r d s ：p u m p i n gp ri t i c i 口i u m ； s o u r c e s ：p l dc o n t r o is o k s i n e t i ct e c h n o i o g y ；r e s is t a b o e s o ii d w o r k s 中国海洋大学硕士研究生毕业论文 1 前言 1 1 帆板运动 1 1 1 帆板运动的发展状况 帆板运动是介于帆船和冲浪之间的水上运动项目，帆板由板体、桅杆、帆和 帆杆等几部分组成。运动员利用吹到帆上的自然风力，站到板上，通过帆杆操纵 帆使帆板产生速度在水面上行驶，靠改变帆的受风中心和板体的重- t l , 位置在水上 转向。 帆板运动起源于美国的加利福尼亚，1 9 7 0 年6 月由美国一位冲浪爱好者修 万斯设计制造出世界上第一条带有万向节的帆板，帆板运动以其独特的魅力吸引 人们踊跃参与 i j 。随着大量的帆板器材涌入市场，极大地推动了帆板运动的开展， 培养了一批驾驶技术超群的选手。帆板运动逐渐从单纯的娱乐、休闲、健身发展 成一项竞技运动。 竞技帆扳运动，是以风力为动力，通过运动员在板体上不断作身体调整来维 持板体的操作平衡，并使帆能发挥最佳受风效果，保持各航段最佳速度行驶，在 最短的时间内行驶完规定的竞赛航程的一项竞技运动 2 1 。 1 9 7 2 年，在加拿大举行了第一届帆板世界锦标赛。1 9 8 4 年洛杉矶奥运会第 一次把帆板列为正式比赛项目。我国从7 0 年代初期引进帆板项目，并于1 9 7 9 年 由国家体委青岛航海运动学校研制成功第一条帆板，并得到了各方面的认可。 在各级政府、体委的大力支持下，我国的帆板运动得到了很快的发展，普及 到1 5 个省市、3 0 多个城市。我国帆板教练员和科研人员对帆板运动的技术理论、 训练方法和手段进行了卓有成效的探索和研究，使我国的帆板成绩得到了迅速的 提高。第六届全运会上帆板比赛被列入正式比赛项目，此后我国运动员参加了巴 塞罗纳、亚特兰大和悉尼3 届奥运会的帆板比赛，我国广东选手张小冬在1 9 9 2 年巴塞罗那奥运会上获得了女子项目银牌，1 9 9 6 年亚特兰大奥运会香港特别行 政区运动员李丽珊还获得女子米氏板冠军。在2 0 0 4 年雅典奥运会上中国选手殷 剑获得了女子帆板米斯特拉级亚军，男子选手也取得了不错的成绩。 1 1 2 帆板运动的发展趋势 ( 1 ) 休闲健身趋向社会化、普及化 体育运动的发展规模与社会经济、文化水平的提商有着千丝万缕的联系，社 一 ! 堕堡堡! 些垫型塑塑墨堡垫型堡墅塑塑塑兰耍茎 会经济、文明水平越高，人们的健身休闲意识就越强，体育活动就越普及。进入 9 0 年代以来，世界经济发展势头良好，帆板运动的规模继续扩大，各国政府的 教育指导思想和家长的育儿思路，都包含着鼓励青少年参加户外体育活动。帆板 运动有着独特的魅力，备受人们的青睐。据调查，大多数参加帆板运动者的目的 是健身娱乐，开发智力，培养意志。未来世界帆板运动发展是乐观的，这项运动 不消耗能源，没有公害，可使参加者受到身心锻炼，合乎社会文明高度发展、人 类回归自然这趋势。 ( 2 ) 高水平竞技趋向职业化、商业化 当今无论是发达国家还是发展中国家，商品经济已浸透到社会的各个角落。 因此，商业自然地把竞技体育作为特殊媒体和桥梁，用来缩短产品与消费者之间 的距离。而竞技体育，特别是奥运会上的竞技体育已超出了休闲健身的范围，明 显具有了职业化、商业化的特征。 为此，国际帆联近几年推出许多改革措施：缩短了奥运会竞赛场地的航程， 使竞赛场地尽量靠近岸边，以便新闻媒体传播；为增加观赏性，提高广告效益， 帆板比赛有时采用岸上出发，岸上冲终点。近年来一种可拆装的室内水池设施闯 世，利用搭设成的水池，靠机械制造风浪，在室内举行多姿多彩的帆板技巧表演 和扣人心弦的小场地驶帆、障碍滑竞赛。这样能使运动员的高超技艺尽收观众的 眼底，使观众产生身临其境的参与感。赛事的主办者尽力把竞技帆板运动推向市 场，从而适应职业化、商业化的需要。 1 2 课题的提出及意义 2 0 0 8 年夏季突运会在北京的举行，给中国的体育事业带来了前所未有的发 展机遇。为提高我国各项运动训练科学化水平和我国竞技体育综合实力，国家体 育总局充分调动各方面科技力量，针对我国运动训练中的关键问题，深入开展备 战2 0 0 8 年奥运会科技攻关工作，争取在运动训练科学研究和开发的若干：领域取 得突破。同时，提出了“奥运争光计划”，即除了要在传统的优势项目中继续保 持外，在一共5 大项4 9 小项的边缘项目中也加大投入，力争夺金a 国家体育总局以公开招标、择优委托的方式组织实施备战2 0 0 8 年奥运会科 研攻关研究，并于2 0 0 2 年l o 月1 4 日至1 0 月1 6 日在北京召开了备战2 0 0 8 年奥 运会重点科研攻关项目招投标评审会。中国海洋大学工程学院和国家体育总局青 岛海航运动学校联合申请了专项体能训练研究类中的帆板力量训练、测试设备的 研制项目。其目的是研制开发经济、实用的帆板运动员上肢等速力量、速度力量、 速度耐力等训练器材以及力量训练测试系统，帮助教练员运动员监控训练的效 果，提高训练的效率。 2 中国海洋大学硕士研究生毕业论文 自国际帆联放开了帆板竞赛中连续摇帆限制以后，连续摇帆已经成为竞赛克 敌制胜的有效技术手段，在起航、航程技战术、调整航向等方面都起到驶帆不可 替代的作用，对帆板摇帆的研究也就成为各国教练员和科研人员的重点攻关课题 之一1 4 j 。有碍于水上训练条件，训l 练过程中运动参数和生理参数的定量测试、实 时分析受到限制。同时，传统的摇帆训练器材提供的都是非顺应性阻力连续大 运动量训练带来的运动损伤难以避免。 迄今为止，国内外还没有发现专门针对帆板运动摇帆的训练器械，仅有一些 进行辅助体能训练的简易器械1 5 6 。在项目的研制过程中，向我国帆板界的一些 专家、教练、领队的请教也证实了这一点。 自我国开展帆板运动以来，教练员和科研人员对帆板运动的技术理论、训练 方法和手段不断进行探索和研究，运动员在一系列的国际大赛中也取得了不俗的 成绩。但是，我国帆板运动的训练器材落后已是不争事实，其共同缺陷：机械结 构设计不够合理，难以满足模拟各种摇帆动作和摇帆方式的需要；阻力源所提供 的都是非顺应性阻力，不能模拟帆在水上受到的气动力形成的阻力，非顺应性阻 力特性也使运动员在训练过程中容易造成意外的损伤；另外，训练器械不能有效 地对运动员的运动参数和生理参数进行实时监控，训练量和训练效果只能靠教练 员运动员的经验把握，缺乏科学依据。所有的这些缺陷使训练只能取得事倍功半 的效果。因此，丌发一种基于等速技术的陆上摇帆训练器是很有必要的。它不仅 可以为运动员提供一个良好的训练和期试平台，还能有效防止运动员在训练中的 意外损伤，提高训练质量。 1 3 研究内容及设计思想 现代训练器材产品的全过程设计，在许多情况下都是一种涉及多学科的设 计，需要注重并考虑的因素比较复杂。但总的来看，在进行具体设计时，必须予 以注重和考虑入与器材的关联系统、模拟体育运动项目的类别、主辅功能要求、 功能特征和功能特性、动力源和阻力源、基本设计要求以及操作者的不同情况等， 实现“定位设计【_ 8 ，”。 1 3 1 研究的内容 要使摇帆训练器贴近水上摇帆的效果，从整体上讲，应了解以下四个方面的 内容： ( 1 ) 帆板摇帆的推进机理。 ( 2 ) 帆板摇帆的技术形态。 ( 2 ) 帆板摇帆的技术形态。 帆板摇帆机理探讨及摇帆训练器的研究与开发 ( 3 ) 帆板竞赛航线的迎风、横风、侧顺风和尾风的四个基本航段，特别是迎 风和尾风段中摇帆的基本操作技术和方式、方法。 ( 4 ) 摇帆的体能训练和耐力训练及比赛中的体能匹配。 根据研制开发经济、实用的帆板运动员上肢等速力量、速度力量、速度耐力 等训练器材以及力量训练测试系统的要求，结合在帆板竞赛中摇帆动作和摇帆方 式的技术特征，研制出能够模拟各种摇帆动作、摇帆方式及等速阻力特性的训练 器就成为本课题的主要研究内容。同时，训i 练器能够测试各种训练参数，以帮助 教练员运动员监控训练的效果，提高训练的效率。其整体框图，如图l 一1 所示。 摇帆训练器 平 摇 、 振 摇 、 转 摇 摇 幅 、 摇 频 、 摇 帆 左 右 舷 摇 帆 方 式 板 体 上 不 同 站 位 风 在 帆 上 不 同 作 用 由 心 行 驶 中 不 同 阻 力 特 性 等速阻力源1l 控制系统 风轮ll 电机 实 现 等 张 阻 力 特 性 阻 力 大 小 有 级 调 节 实 现 等 速 阻 力 特 性 实 现 等 张 阻 力 特 性 阻 力 大 小 无 级 调 节 图i - 1 摇帆训练器功能框图 测 试 各 种 运 动 、 生 理 参 数 实 现 数 据 上 传 参 数 通 过 乙 c d 显 不 参 数 通 过 l e d 显 一 不 参 数 通 过 微 型 打 印 机 输 出 摇帆训练器要实现以下功能： f 1 1 对于机械结构的要求就是能模拟各种摇帆动作。在帆板比赛中，不同的 航段，要采用不同的摇帆方法。为了便于研究，可以将摇帆的方法归纳为平摇、 振摇和转摇三种方式j 。 实现竞赛航线上四个基本风段的摇帆方式、方法的模拟，贴近水上摇帆的实 际情况，给运动员以比赛中的真实感觉。是对机械结构设计的要求，是实现其它 功能的前提条件。 4 中国海洋大学硕士研究生毕业论文 ( 2 ) 摇帆时所受到的等速阻力特性是帆板运动的重要特征之，选择合适的 阻力源，实现对摇帆时帆受到的气动力形成的阻力特性的模拟，使陆上模拟训练 更加贴近水上的实际情况，也是研制摇帆训练器的关键技术。同时，阻力源的差 异，很大程度上决定了训练器的成本。因此，应采用不同的阻力源，控制成本， 满足不同层次帆板训l 练队的需要。 ( 3 ) 摇帆训练器应该能够对运动员的各种运动参数和生理参数实时监测且 量化显示，包括摇帆时间、摇帆频率、摇帆幅度、摇帆次数、摇帆距离、摇帆功 率、总做功量、摇帆速度、摇帆力和心率等。能够对所测数据进行保存等各种管 理，在教练员或运动员需要的情况下，能够输出数据，为科学训练和医务监督提 供依据和保障。 1 3 2 基本设计要求 综合以上分析，对于帆板摇帆训练器的设计，应符合如下的一些基本要求： ( 1 ) 能够模拟帆板运动在水上的各种摇帆动作，训练运动员的力量素质和耐 力素质，提高运动员在运动时克服阻力的能力以及机体长时间运动的能力。 ( 2 ) 具有能够模拟水上帆所受的阻力特性，并且其阻力的大小可以进行无级 或多级调节。 ( 3 ) 能够监测训练的数据，通过输出设备，如液晶显示器或数码管显示器显 示运动中的数据( 包括运动参数和生理参数) ，且数据准确。 ( 4 ) 具有高的或较高的安全可靠性能( 包括主要零部件的强度、疲劳寿命、整 机稳定性和电气操控系统的可靠性等) ，且其装配、安装固定、卫生和环保等性 能及指标符合国家的相关要求。 ( 5 ) 器材的结构设计及其布局合理。根据帆板运动队的训练特点，应尽量使 其器材具有拆卸安装简单、搬运方便等特点。 ( 6 ) 具有好的外观艺术造型及其综合效果，器材的“人一机”操控系统合理、 协调、舒适、配套。 1 3 3 结构设计 结构设计必须在整体设计、结构布局及其组合等方面，予以详尽、合理的考 虑与安排。 ( ) 动力接收部分 摇帆训练器的动力接受部分就是模拟帆杆和踏板。模拟帆杆的设计要与真实 帆板上的帆杆相似，其结果尺寸适应不同运动员朦钵活动范厨以及操作协调尺 一二一一一! 堕堡塑! 坠墨望塑堕墨堡塑型堡堡竺竺塑量堑垄： 度。同时，运动员站在踏板上能够模拟在帆板板体上的各种动作。并且达到最安 全、最舒适的适应程度。 ( 2 ) 中间传动部分 摇帆训练器的中间传动部分包括柔韧拉力绳、动滑轮和定滑轮组成。在设计 时一般应注重和考虑的因素主要有： 传动速比及其输出量值的变化。 运动频次较高的中间传动部分机能的承受能力、疲劳寿命及传动噪声1 1 0 1 。 传动效率。尤其是动力源、阻力源及其中间传递部分三者之间的相互关联 及制约问题等。 ( 3 1 运动阻力机构部分 根据不同的需要，摇帆训练器以风轮或电机作为阻力源，阻力源提供的等动 阻力应能很好地模拟摇帆时帆受到的气动力形成的阻力。该部分设计应注意下列 的一些问题： 阻力机构的理想位置及其合理设置。 阻力大小的调节需求及其调节系统的合理设计。 机构如何适应运动方向的变化等。 ( 4 ) 支撵部分 支撑部分的功能和任务，就是将相关的构成元件可靠地固定在正确的位置 上，以满足其支撑功能和训练器的性能要求 1 1 1 2 , 1 】。因此，对这部分零部件的设 计，需要注重和考虑的因素： 以“人机工程学”的观点来确定构成元件的尺度，并使其产生所谓的“三 点调整法”，以适应各类人体结构尺寸的需要。其“尺度”应尽量能使人体的输 出动力最佳，即“支撑部分”与动力接收部分”的协调组合【1 4 5 ，1 6 1 7 1 。 各零部件的强度、刚度和整机的稳定性能等。 f 5 1 辅助部分 摇帆训练器的辅助部分一般主要指配置的安全防护绳：各类金属或非金属堵 盖、各类橡塑件垫套及其各类连接件、紧固件等。这部分零部件除了它们应具有 的功能和特性外，在结构设计方面应考虑的就是其安装位置的科学性和适宜性， 有些甚至包括满足使用要求的位置可调节性。 1 3 4 外观造型设计 训练器材产品的外观造型设计，与一般机电产品一样，同属于“技术美学” 的范畴，是一种以确定优良的“外观质量”为目标的特别设计。它不仅在于使产 品的外观形态符合时代的审美要求，而且还在于其决定了产1 l l l i 功能、器枣j _ 蛙能与 6 中国海洋大学硕上研究生毕业论文 结构的协调关系。新颖的外观艺术造型能完美地体现产品功能的合理性、内外质 量的统一性以及技术的先进性和时代性 1 8 , 1 9 】。从以下几方面予以考虑： ( 1 ) 根据摇帆训练器的使用对象、使用环境及具体功能特征，应从人的心理、 生理和健康等因素来保证和实现产品的适应性，充分体现符合人体工程学的“舒 适美1 2 0 】。 ( 2 ) 充分应用自然美学规律，注意在外观形体设计时的尺度与比例、均衡与 稳定、统一与变化三大美学原则，而达到产品外观形体的“比率美”、“线型美” 与“和谐美”。 ( 3 ) 根据摇帆训练器的具体特征和特性，注意外观设计方面的结构性协调、 相关零部件材质的选择和加工工艺的选择，使其与器材外观形成完美的统一，进 而实现由此而产生的“结构美”、“材质荚”和“工艺美”。 ( 4 ) 注重能够体现现代科学技术的控制设备及操纵面板的设计或选择，以便 更进一步的展示出产品的时代性、科学性和先进性。 f 5 1 应特别注意色彩的功能，重视产品在“穿衣”时色彩的配置，利用色彩 的微妙变化来塑造形体，从而充分表现出产品的“色彩美”。 总之，摇帆训练器的外观造型设计，是其整体设计的有机组成部分，是技术 性、艺术性很强的一项综合性的技术设计工作。只有对其充分注重，才能使所设 计制造的训练器真正达到实用、经济、美观、创新。 1 ，4 方案的确定 1 ，4 1 基本原理 运动员的摇帆动作通过模拟桅杆和帆杆转化为拉索的直线运动，再通过拉索 带动阻力源，阻力源提供的等速阻力能很好地模拟摇帆时风帆气动力。实现不同 风段、不同风速和不同强度情况下的摇帆训练，并对运动员的运动参数和身体参 数进行测试和评价。 1 4 2 组成部分 摇帆训练器主要由基本机械结构、等速阻力源、控制系统三部分组成。其整 体框图，如图1 2 所示。 机械结构采用模块化设计思想，由底架、竖支架和斜支架组成。底架上装有 模拟桅杆、模拟帆杆和模拟板体的踏板，实现对各种摇帆动作的模拟。竖支架用 来加固斜支架，不训练时放置模拟桅杆。斜支架上装有滑轮，以调节绳索的不同 高度，模拟帆的不同受力中心。 7 燮塑些塑塑墨塑! 塾塑堡矍箜塑壅皇堑垄 等速阻力源，采用了风轮和电机两种阻力源。前者操作简便，可实现等速阻 力特性，价格较低，可使用交流电源或直流电源，用电量少：应用的环境广泛： 后者的可控性好，可以实现等速和等张两种阻力特性，但价格较高。 控制系统硬件由单片机、l c d 液晶显示器、l e d 数码显示屏及台式微型打 印机等组成。通过控制程序可以实现对运动员训练参数的监测、数据的输出等， 为教练员制定训练方案提供科学依据。 1 5 预期达到的目标 图1 - 2 摇帆训练器结构框图 深入国家队和各级地方帆板队进行实地考察，对要研制的帆板摇帆训练器所 应具备的功能和特性与各位教练员、运动员进行探讨。从机械结构、控制系统和 软件开发上来满足教练员运动员的训练需求。 对于机械结构部分的设计，能够实现模拟帆板摇帆的基本动作：平摇、振摇 和转摇。同时，为了满足国家及省市各级帆板队经常在不同地方集训的需要，机 械部分应便于安装、拆卸、运输以及调节。并且使器械造型美观，操作简便，性 能可靠，使系统挑战性和趣味性并存，能激励运动员的情绪，从而提高训练质量。 对于阻力源的设计，阻力源的阻力特性应该与实际帆板运动中作用在帆上的 气动力相似。阻力自动跟踪训练者肌力变化，有效保持相应肌肉处于最佳负荷状 态，训练效果好，能有效避免显性或隐性运动损伤。 对于软件部分的设计，人机界面友好，使用操作简便。实现对运动员的运动 中国海洋大学硕士研究生毕业论文 参数和生理参数的实时监控，并对数据进行管理，为教练员对训练情况的掌握， 提供科学的依据，减少教练员的工作量，提高训练效果，也为科学训练和医务监 督提供依据和保障。 总之，摇帆训练器的设计要能够满足运动员训练的各项需要，符合项目申请 中的要求，并按时完成，为备战2 0 0 8 年奥运会贡献力量。 9 i 坠堡塑坠! ! 墨堡翌墨堡垫型堡塑堕堕壅兰茎茎 2 摇帆推进机理探讨 2 1 摇帆技术的基本概念 ( 1 ) 摇帆 放开摇帆限制前，摇帆在规则上称为“推进”。故帆板摇帆可以理解为：帆 板在正常行驶过程中，运动员对帆具施以节律性的摇动，使其产生飞鸟扑翼似的 运动，以增加帆的空气动力，使板体得以加速的作用过程f 嬲。 ( 2 ) 摇帆的基本技术内容 帆板摇帆的基本技术内容可以概括为摇帆的技术形态：摇帆的幅度、频率和 节奏；迎风和尾风摇帆技术；摇帆基本技术训练；摇帆的体能训练与体能匹配： 摇帆的生理及生物力学监测：医务监督与保证等几个方面1 2 3 1 。 ( 3 ) 摇帆的技术形态 摇帆的技术形态主要分四个部分：摇帆的发动；利用整个身体运动加速； 利用上身控制增强加速运动：恢复并准备下一次摇帆。 ( 4 ) 摇频、摇幅和摇帆节奏 摇帆频率的快慢、摇帆幅度的大小和摇帆节奏的运用，是帆板摇帆的重要技 术环节”。 摇频：是指运动员在摇帆过程中，单位时间内摇动帆的次数，通常用“次 分”表示。不同风速，不同航段，由于采用不同的摇帆方式，其摇频不同。相 同的风速，不同的航段，其摇频也不相同。如起航阶段就比迎风阶段摇频快，迎 风航段的摇频比横风侧风航段快，侧顺风比正尾风航段快。 可以把帆板摇帆的风速情况界定在这样三个范围：小风天( 风速在4r r d s 以 下) ；中风天( 风速范围4 , - - 8m s ) ；中强风天( 风速范围8 1 0t r d s ) 。在四级风( 5 5 7 9 m s1 以下的风速，帆板摇帆才有确定的意义。四级以上风速或者说板体起滑以后， 应以驶帆为主，辅以摇帆加速。因此，可以说在同一航程中，由于风速的变化， 摇帆的频率要作相应的变化，小风天摇频较慢，中风和中强风天摇频较快。一般 地，在迎风航段上，最大摇频在1 3 0 次分，最小摇频在7 0 8 0 次分；尾风小风 天在4 0 5 0 次分；侧顺风小风天在7 0 8 0 次分；中强风在8 0 1 3 0 次分：而中 强风的横风、侧顺风摇频接近于迎风摇帆。 摇幅：帆板摇帆时帆面上的气流流动情况届非定常流动。摇幅可以理解为 帆面在保持稳定入射角的条件下，帆面摇动距离的大小。 摇帆节奏：指运动员在摇帆过程中，对摇帆频率的快慢和摇帆幅度的大小 有机地协调结合，并对其变化节律的正确把握。摇帆节奏的快慢变化，与风速、 1 0 中国海洋大学硕士研究生毕业论文 风浪、风况变化及涌浪等航海条件密切相关。正确地运用摇帆节奏，可以有效地 提高航速，也是帆板竞赛中技战术应用和节省体能的有效手段。 ( 5 ) 摇帆的方式 在帆板比赛中，不同的航海条件，要采用不同的摇帆方法。为了便于研究， 可以将摇帆归纳为平摇、振摇和转摇三种方式 。 平摇法：相对于帆的受风面，平动地摇动帆的施力方式： 振摇法：是平摇的一种方法，可以理解为大频率小幅度的平动摇帆； 转摇法：可以理解为完成一个摇帆过程是转动和平动的复合运动。 在实际摇帆时，运动员根据不同的航海条件，往往采取上述三种摇帆方式中 的某两种的复合摇法。如顺风摇帆时，为克服空气迎面阻力和帆面涡旋的影响， 而采取先转摇后平摇的摇法。 2 2 帆剖面的摇动 摇帆的运动严格说是一种三维运动，是运动体在行进过程中突然人为操纵， 意想获得大的推力。鱼的两翅就类同于平放的帆。鱼翅摆动的推进机理，同帆摇 动的推进机理是样的。其动作对摇帆来讲，具有一定的指导意义。 摇帆时，沿帆翼任一高度处的剖面都在摇动，所以研究帆剖面的摇动，也就 是研究整个帆的摇动。任何摇帆动作又都可以将其分解为帆剖面两种最基本的摆 动方式，即平动和转动。平动又分前后和侧向移动，转动又分为绕首转和绕尾转， 这里的“首”指的是桅杆，“尾”指的是帆后边，如图2 1 所示。 2 2 1 旋转摇动 7 奄誊冬 图2 - 1 帆剖面摇动 桅杆不动，离桅杆越远摇动的速度越大，如图2 - 2 所示。假设把帆分成四段， 帆板摇帆机理探讨及摇帆训练器的研究与开发 在每段上取一个平均速度，四段上的平均速度不同，这个摇帆角速度与板前方的 来流速度v 合成起来，就是帆上每段所受到( 相对) 的速度w 。每段所受相对速度 大小和方向都不同，如果还保留与原来流速一致方向，那么必须把帆的四段变曲， 如图2 3 所示。将四段连在一起，就相当于有曲度的帆。 v + 2 2 2 平板的平移摇动 、。 ，w 图2 - 2 帆面摇动速度 罗吵羚 图2 - 3 帆面各段速度方向 把帆( 剖面) 放平，然后做上下平移摇动，如图2 - 4 所示。v 是原来流的速度， v 堤平板平移摇动速度，由v 和v 合成起来w 就是帆在某个瞬时所受到的相对 速度。 迎角的关系为： t a n ( a a ) = v i v 假设v = v ，则有= 4 5 。 摇动的速度从上端向下平移速度逐渐增加，到水平位置后速度达到最大，然 后帆又减速向下平移，一直到下端，此时速度为零，再加速到水平位置，过水平 中国海洋大学硕士研究生毕业论文 位置后又减速到上端，完成一个周期。两个端点的位置速度都为零，水平位置处 速度为最大，所以推力曲线图也是周期变化的。帆在平移摇动周期运动过程中， 推力f 的变化，如图所示，可见推力是随时间发生周期性变化的。 与 推，。 、 _ _ - 2 2 3 平移和旋转的合成运动 图2 - 4 平移摇动推力曲线 时间 以鱼翅运动为例，鱼翅某个剖面的运动轨迹，如图2 - s 所示。把鱼翅运动的 一个周期分成a 、b 、c 、d 四段，分别对这四段进行力学分析。 图2 5 鱼翅运动的一个1 剞捌 ( 1 ) a 段 此段的弧向上弯的，整段的运动是向下的，如果鱼翅原来已有了前进速度v ， 则a 段所受到的合成速度为w a 于a 段弧形成一个正迎角，产生升力，如图2 - 6 所示。升力在鱼翅前进方向的投影就是推力，运动速度是从大变小，剖面逐渐变 形，一直落位到b 处。 审 帆板摇帆机理探讨及摇帆训练器的研究与开发 图2 - 6 a 段的运动 ( 2 ) b 段 在b 段开始上升并旋转，但不变形，合成速度w b 也有一个迎角，产生升力 也在鱼翅前进方向有正推力投影，b 段上升旋转落位到c 段，如图2 - 7 所示。 图2 7b 段的运动 ( 3 ) c 段 c 段开始上升，有变形的运动，合速度w e 也有迎角。其升力在鱼翅前进方 向的投影是正推力，从c 段一直运动到d 段，如图2 - 8 所示。 ( 4 ) d 段 图2 - 8 c 段的运动 图2 - 9d 段的运动 1 4 中国海洋大学硕七研究生毕业论文 d 段的运动主要是旋转，而不变形，w d 于d 段有迎角，产生升力，也在鱼 翅的前进方向有正推力，如图2 - 9 所示。 从前面鱼翅剖面四段来看，均有鱼翅前进方向的正推力。 2 3 帆板运动风向的角度划分 在帆板行驶中，通常把吹向帆板的风分为顶风、迎风、横风、顺风、尾风。 其风向角度的具体划分情况，如图2 1 0 所示。根据帆板比赛规则，在整个航程 中有迎风、横风、侧顺风及尾风四个航段 右 舷 风 左 舷 风 图2 - l o 风向角度的划分 在帆板航行时所遇到的风是比较复杂的，是多种风的合成，可以将风分为三 类，即真风、船行风和相对风。 真风：离开帆板所看到的风速，也就是在岸上所观察到的风速，用v 表示a 船行风：在帆板上所感觉到的与航行方向相反的风，用v 表示。它的大小与 帆板的航行速度相等，方向相反，也叫感觉风。 相对风：航行时实际感觉到的风速，用w 表示。是真风与船行风的矢量和。 另外，帆板行驶中帆与板体之间的角度有风向角、迎角、帆角之分。如图 2 1 1 所示。 风向角：相对风与板体首尾线c d 之间的夹角，以1 3 表示； 迎角：相对风与帆弦线a e 之间的夹角，以a 表示； 一坚堡堡些垫里堡塑墨篓坚型堡堡塑竺壅量堑垄 帆角：帆弦线与板体首尾线之间的夹角，以y 表示： 通常情况下，它们之间的基本关系： 1 3 = + v 。 2 4 帆板受力分析 e d c 图2 - 11 帆板运动各种角度划分 在帆板比赛的整个航程中的四个航段中，各个航段帆板的受力情况是不样 的。下面以迎风航段为例，对帆板的受力以及迎角、帆角和风向角之间的关系进 行分析。 2 4 1 帆板能迎风行驶的原因升力的产生 在奥林匹克不规则四边形场地航线赛的四个基本风段中，迎风航段是典型的 升力型驶帆航段，有前迎风、迎风和后迎风之分。左、右舷风驶帆分别位于3 2 0 , - 4 5 0 和3 2 8 0 3 1 5 0 区域。 b e r n o u l l i 和v e n t u r i 实验表明：空气具有储存能量的特性，流动方向平行且 气流不易偏向，低气压区的空气密度大，高气压区的空气密度低。气流速度增加 产生低压，气流减慢则产生高压【2 6 ，2 7 j 。 据空气动力学分析，机翼以一定的迎角置于气流中，当气流流经机翼时，从 前驻点处分开，一路气流绕翼前缘，沿上翼面向后；另一路气流沿下翼面流经后 缘处，与流经上翼面到后驻点的气流汇合，再流向远后方，如图2 一1 2 所示。根 据库塔一儒科夫斯条件，尖后缘的机翼，其后驻点在后缘处，机翼上下表面的气 流，在后缘处汇合之后再流出，这一条件意味着在后缘处上下翼面来流的速度相 等，压力也相等。 1 6 中国海洋太学硕士研究生毕业论文 图2 - 1 2 气流的驻点位置 可见，当气流与帆的帆弦线a b 成角度流过帆时，气流将在a 处分为两 路，在b 处两条流线汇合，如图2 1 3 所示。根据库塔一儒科夫斯条件，流经帆上 表面的气流速度大于流经下表面的气流速度。 吕 a 日 图2 - 1 3 升力产生 帆的上表面称为吸力面，下表面称为压力面，按照b e r n o u l l i 原理，由于帆 的上下表面流速不同，导致两表面压强不同，从而出现压差，这个压差使帆产生 了升力。作用于帆上的绝大部分力都是由帆上表面形成的吸力所产生的。当 a = l o o 1 5 0 时，其上表顽的吸力占总升力的7 5 - - - 8 0 。 当然，空气是具有粘性的，当气流绕过帆表面时，气流就会受到扰动，速度 v 发生变化，速度梯度很大的薄层流体称为附蕊层，如图2 1 4 所示。在附面层 以外，称为外部流动，速度与未扰动气流的速度v 。相等。气体粘性的影响主要 v 图2 - 1 4 帆表面的速度分布 体现在附面层内部，而附面层很薄，其厚度与帆的宽度相比微不足道，所以气体 粘性的影响范围很小，通常在研究帆的升力问题时忽略由气体粘性产生的摩擦力 的影响。 帆产生的升力是帆板能在迎风中前进的原因所在。因此，我们通常把帆板在 航线上迎风驶帆航段称为升力型驶帆航段或风段。其操帆过程和板体速度大大优 于“降落伞效应”的顺风航段。 里堡堡! 坠垫堡堡塑墨堑垫型堡壁塑塑塑兰茎垄 24 2 帆板在迎风航行中的受力分析 帆板航行时遇到的风可基本分为三种类型，即真风( v ) 、船行风( v ) 和相对风 ( w ) ，如图2 一1 5 所示。 r a 帆板航向 图2 - 1 5 帆板受力分析 可见，在一定的迎角下帆板迎风行驶时，空气绕帆流动产生使帆板前进的空 气动力一升力。升力的合力p 作用于帆的压力中心c e 处，其方向基本上与帆弦 线a e 垂直，其大小不是由真风所决定的，而是由相对风的风向和风速决定的。 合力p 可以分解为相互垂直的两个分力。其中沿着帆板板体首尾线c d 方向的分 力t ，称为帆的推力。沿着垂直于帆板板体首尾线c d 方向的分力n ，称为帆的 侧向力。侧向力使板体倾向下风，并发生侧滑现象。推力t 使得帆板沿着帆板板 体首尾线c d 方向运动，侧向力n 使帆板产生侧向漂移，使得帆板的航向与板体 首尾线方向产生一个夹角。帆板的航向a b 与帆板板体首尾线之间的夹角6 称为 漂角。 同时，置于水中的板体也受到水的作用。设作用在板体上压力的合力为r ， 作用于板体的水压中心c l r 上。合力r 同样可以分解成相互垂直的两个分力r x 和k 。分力r v 与帆板的运动方向相反，称为迎面阻力；分力r x 与帆板的运动方 向基本垂直，称为扳体的侧向力【2 8 0 9 ，3 q 3 ”。 从受力分析可知，作用在帆上的推力t 和侧向力n 分别为： 帆的推力t ：( 2 4 1 ) 帆的侧向力n ： n = p c o s t( 2 4 2 ) 由( 2 4 1 ) 、( 2 4 2 ) 可知，推动帆板前进的力： f 前进= t r y = p s i n y r y ( 2 4 3 ) 作用在帆板上侧向力： = n r 。= p c o s y r 。 ( 2 4 4 ) 1 8 中国海洋大学硕j 研究生毕业论文 同一板体在一定外界条件( 如自然条件中的风、浪、流及航道条件) 下，其迎 面阻力仅是航速的函数，与风向角以及帆角无关。 当帆板运动时，帆的推力t 克服沿b a 方向的迎面阻力r v ，帆的侧向力n 平衡板体的侧向力风。迎风行驶的帆板，通过调节风向角和帆角，可以使帆获 得的推力t 大于帆板的迎面阻力r v ，从而使帆板向前运动。 另外，因帆板风压中心和水压中心不重合，从而产生转矩m ，运动员通过 操作，使帆以万向节为轴心向各方向倾斜和扭转，从而产生扭转力矩使板体转动， 在迎风行驶中，为了能到达正顶风目标，通常采取曲折航行的办法。因此，迎风 转向是到达顶风目标的必要环节，同时，帆板比赛时，还必须绕过各标志，选择 有利航线转向。 综上所述，要使帆板快速行驶，就必须使帆板产生较大的推力t ，而减小侧 向力n 。同时，还应通过调节帆板转矩选择有利航线。 2 4 3 最佳风向角及帆角计算 受力分析表明，当迎风行驶时，帆板的首尾线方向应与真实风v 的方向成 一定的夹角，如图2 1 6 所示。此时帆板的首尾线方向也就与相对风v 的方向形 成一个夹角b ，即风向角。对帆的作用力不是真实风所决定的，而是由相对风 苦，、毽、 c 一一一一一一一一一一一一一、a 图2 1 6 迎风驶航线 决定，所以风向角b 的大小非常重要。要从a 点到达c 点，可以走a - b c 航线， 也可以走由多个与a c b 相似的三角形组成的航线，即帆板行驶“之”字形航线， 如图2 1 7 所示。两种航线的距离是相同的，但在实际中多走“之”字形航线。 c 么长斧 e 为 图2 1 7 “之”字航线 简便起见，我们以a ，b c 航线为例，研究在最短时间内沿航线从a 地出发到达 c 地时的极值问题p 甜。 帆板能在最短的时间内到达目的地，主要取决予推力t 的大小和航程的长 帆板摇i 观机理探讨及摇帆训练器的研究与开发 短。当推动力t 大而航程短，且两者取得最优值时为最佳。帆的升力与迎角有关， 通常当帆与气流成某一合适的角度时，帆的下风负压最大，此时的帆动力效果最 好，它所分解出来的前进分力最大，此时对应的气流对帆的入射角称为最佳迎角 为2 3 0 左右。由风向角、迎角及帆角三者之间的关系可知，可通过控制风向角 和帆角的大小，控制帆的最佳迎角，进而使帆产生一个较大的升力，这就是在迎 风行驶过程的两角稳定技术，对于靠升力驶帆的迎风航程来说十分重要。 在实际航行中，帆板行驶的航线与出发地和目的地之间的夹角为m ，如图2 1 8 所示。其大小为： 中= ( p + a ) 一0( 2 4 5 ) 其中0 为相对风与真实风之间的