Андрей Владиславович Серегин
Физические основы теории роупджампинга
Опасные факторы при размещении анкерных устройств
Деятельность на высоте с применением систем канатного доступа обуславливает совокупность факторов опасности, которые следует принимать во внимание при размещении анкерных устройств. Фактор отсутствия запаса высоты, фактор маятника и фактор падения.
Фактор падения – это характеристика высоты возможного падения спортсмена, определяемая отношением значения высоты падения прыгуна до начала срабатывания амортизатора к суммарной длине соединительных элементов страховочной системы. Значение фактора падения зависит от места выбора анкерного устройства и суммарной длины соединительных элементов страховочной системы.
Фактор отсутствия запаса высоты связан напрямую с запасом потенциальной энергии перед прыжком и непосредственно системой остановки падения, которая должна обеспечивать некий минимальный размер свободного пространства, остающегося до нижележащей поверхности в состоянии максимальной амортизации остановки падения.
Фактор маятника при падении возникает при таком выборе местоположения анкерного устройства относительно расположения спортсмена, когда падение прыгуна сопровождается маятниковым движением.
Фактор маятника
Фактор маятника рассматривает возможность не только вертикальных, но и горизонтальных перемещений в процессе остановки падения.
Расположение анкерных устройств в системах остановки падения должно выбираться таким образом, чтобы исключить или минимизировать неконтролируемую маятниковую траекторию прыгуна, а также исключить перемещение стропа по кромке из-за возможности его обрыва в результате трения.
Этот момент построения систем следует пояснить отдельно. Как было объяснено в разделе об импульсе прыгуна, чем длиннее траектория остановки падения, тем проще выполнить систему с меньшей нагрузкой на спортсмена. Поэтому создание траектории торможения прыгуна с горизонтальными перемещениями – с контролируемым маятниковым движением – может применяться разработчиками для остановки падения.
Размещение анкерных устройств может быть стационарным или динамическим.
Стационарно установленные страховочные анкерные устройства соответствуют совпадению геометрического места оси (осей в общем случае) маятниковой траектории и физическому месту крепления анкеров. Например, на балке конструкции сооружения. Для таких расположений границы зоны маятника наиболее стабильны.
Динамическое размещение анкерного устройства страховочной системы прыгуна, на практике наиболее частое, имеет разделение по степени перемещения.
Зафиксированные на гибких анкерных линиях страховочные анкерные устройства прыгуна будут обуславливать фиксированное динамическое расположение, где динамика оси маятника определяется амортизацией линий, а диапазон маятниковых движений шире, чем у стационарной установки.
Установленные на гибких анкерных линиях роликовые анкерные устройства будут обеспечивать троллейное динамическое расположение, которое имеет максимальную степень свободы для маятниковых движений.
Методология выбора завешивающих анкерных устройств
Для организации безопасного прыжка с объекта в первую очередь рассматривается возможность завешивания на максимально доступной высоте. Преимущество в этом всегда у стационарных анкерных устройств, поскольку амортизация осуществляется без потери высоты завешивающих устройств, а также здесь наиболее контролируемый маятник.
Когда такая возможность отсутствует, следует размещать анкерные устройства на гибких линиях. Совместно с пристрахованным прыгуном они представляют собой комбинированный демпфер, для которого дальность вывешивания от края линии уменьшает нагрузку на спортсмена. А размещение устройства желательно выполнять ближе к середине перпендикулярной амортизации.
Однако безопасно остановить падение только перпендикулярной амортизацией не просто: оптимальная зона расположена далеко. Это подтверждается результатами моделирования.
Для двух гибких линий из статической веревки 10 мм, натянутых с усилием по 1000 Н, и массы прыгуна 100 кг расстояние V-плеча и глубина амортизации сведены в таблицу для разных скоростей падения и максимальной перегрузки 4g. Моделирование проведено с учетом сопротивления воздуха. Эта таблица дает понять, что при отделении прыгуна желаемая удалённость размещения в несколько раз больше свободного падения, если амортизировать только гибкими линиями (V-амортизация). Лишь на больших высотах оптимальное размещение анкерных устройств приближается к равенству с глубиной падения.
Выбор между фиксированным или троллейным динамическим устройством в первую очередь определяется фактором маятника. На больших высотах предпочтительной возможностью выступает фиксированное динамическое размещение из-за меньшего диапазона маятника: как из-за конструкции анкерных устройств, так и значительных аэродинамических сопротивлений. На малых высотах аэродинамическое сопротивление прыгуна мало, и оно не составляет существенного торможения качанию. Поэтому здесь использование троллейных устройств позволяет откатить по гибким линиям маятник подальше от возможных препятствий и поближе к зоне оптимального V-плеча.
Следует отметить, что вне зависимости от вида размещения завешивающих анкерных устройств на роликовые устройства накладывается одно важное ограничение: максимальная линейная скорость. На стандартных роликовых устройствах предел составляет 20 м/с под полной нагрузкой, а эта скорость достигается прыгуном уже с 22 метров свободного падения. Таким образом, при выборе устройств, следует оценить линейную скорость вращения роликов под нагрузкой, чтобы приобрести или изготовить на заказ изделия, удовлетворяющие максимальному значению.
Композиция структурных демпферов
Осуществление выбора завешивающих анкерных устройств позволяет перейти к главной части создания системы остановки падения. Работа системы демпферов принципиально может быть построена или на одновременной работе демпферов, или на последовательном задействовании элементов в процесс амортизации. Преимущество чередующегося введения элементов в процесс остановки падения состоит в способности системы изменить направление амортизации. Одновременное (параллельное) включение в амортизацию демпферов позволяет распределить общую нагрузку по элементам системы. Не следует путать термины задействование и соединение демпферов.
Для описания порядка соединения введем понятие: направление демпфера. Демпфер имеет два конца, и от одного к другому, вдоль него, действует сила упругости. Конец, от которого действует сила, – это вход. А тот, к которому действует – это выход.
Соединение указывает на вид механической связи между элементами: последовательно – это когда выход одного демпфера прикреплён ко входу другого; параллельное соединение – это когда входы элементов скреплены между собой, и выходы этих демпферов соединены аналогично.
Задействование же раскрывает временной момент вступления демпферов в амортизацию: последовательно – это один элемент после другого; параллельно – это одновременно.
Понятие комплексной композиции
После реализации системы остановки свободного падения зачастую выявляется какое-нибудь одно наиболее удачное свойство, а другие далеко не всегда выдающиеся. Например, большая упругость или значительный маятник, малая перегрузка или удобство спуска. И для нового решения подход к организации торможения прыгуна возможен с заранее заложенным набором таких свойств. Что наиболее просто выполнимо, если объединять системы целиком, и использовать их как готовые структурные демпферы в общем наборе амортизаторов. Этот метод создания называется комплексной композицией систем.
В качестве примера такого создания предлагается комплексная троллейная система. В ней объединена троллейная комбинированная система и перпендикулярная система V-плеч. Удачным свойством троллейной системы принимается быстрая «доставка» анкерного устройства страховочной системы в оптимальную зону перпендикулярной амортизации. Особенно, при значительных углах наклона и слабом значении предварительного натяжения. Перпендикулярный демпфер ценен своей подвижностью, особенно на небольших отклонениях от предварительного натяжения.
Объединение производится через внедрение троллея в верхнюю часть наклонного перпендикулярного демпфера. Для сохранения упругих свойств подсистемы перпендикулярной амортизации верхняя часть комплексной системы, объединяющая троллей и верхний фрагмент линии перпендикулярной амортизации, должна иметь модуль продольной упругости (Юнга) равный значению одинарного нижнего фрагмента перпендикулярной амортизации.
Технически, если одну линию надо заменить на две таких же, не меняя общую жёсткость фрагмента, следует в два раза увеличить их длины, а вместо анкерной точки замещаемого фрагмента установить блок-ролики. С одновременным созданием анкерных точек после роликов на удалении, равном заменяемому фрагменту. Подобная операция называется расщеплением жёсткости.
Выполним расщепление жёсткости верхнего фрагмента демпфера перпендикулярной амортизации. Нижнюю линию организуем в качестве троллейной комбинированной системы. Теперь нижняя анкерная точка наклонного троллея имеет фиксированное динамическое размещение. Причём, в точке оптимальной перпендикулярной амортизации V-подсистемы. И пусть все расстановки удовлетворяют безопасности по факторам запаса высоты и маятника. Соотношения длин, масс и коэффициентов упругости подсистем будут обеспечивать апериодический переходный процесс (когда не будет «подскакивания» выше уровня предварительного натяжения ни ролика, ни опорной точки второй анкерной линии во время съезда).
Общее рассмотрение динамики новой системы указывает на бОльшие амортизационные свойства, чем в каждой из объединяемых систем отдельно. Троллейная система становится «мягче» на анкерной линии с уменьшенной жёсткостью. А перпендикулярная V-система создаёт «плавающее» основание для троллея, что дополнительно увеличивает глубину остановки падения и «смягчает» остановку ролика. Этот пример обосновывает целесообразность комплексного проектирования.