Вимірювання сили натягу каната
24. July 2008 Christian Katlein, Patrick Engel
Partner: LORENZ Messtechnik GmbH
Оригінал статті (.pdf, англ, ~ 800 кб)
Переклад АЛЬФА-СЕНСОР © 2010
1. «Slacklining» - акробатика на канаті
«Slacklining» (акробатика на канаті) - тенденція в спорті, яка ставати все більш популярною в останні роки. Зародилася вона в легендарному таборі альпіністів "Camp 4" в Yosemity-Valley (США) з 70-х і відчуває друге народження в наші роки.
Для Slacklining використовується плоска, еластична синтетична стрічка (25-35 мм), натягнута між двома фіксованими точками (наприклад, між двома деревами) за допомогою натяжної блоку або тріскачки. Спортсмен переміщається по цьому канату і намагається виконати різні трюки і стрибки. З першого погляду це схоже на виступ канатоходцев в цирку, але є істотні відмінності, пов'язані, перш за все, з різним матеріалом каната і різними вимогами. Канат в Slacklining може бути закріплений безліччю різних способів. Також, довжина каната може варіюватися між 5 і 200 м. Для коротких канатів характерна зміна натягу від строго натягнутого до провисання. Висотна різновид, "Highlining", представляє найбільш складну різновид цього виду спорту. Тут канат натягується на висоті, що перевищує висоту стрибка, наприклад, між двома гребенями гори. Кожна з різновидів Slacklining має свої характерні ризики і небезпеки.
2. Постановка завдання
Наростання сил в Slackline канаті (надалі, для стислості - канаті) відбувається дуже швидко. Фізичні процеси, що відбуваються при цьому, відомі лише небагато чому спортсменам і це часто призводить до неправильної оцінки можливих відмов обладнання.
Установка датчиків сили в ланцюзі каната в лабораторних і натурних умовах, дозволяє отримати інформацію про величинах сил і потенційної небезпеки, пов'язаної з їх виникненням.
Навіть досвідчені спортсмени часто не мають реального уявлення про силах, що виникають в канаті, тому буває так, що система виходить за гранично допустимі розміри і стає небезпечною. Так, канати дуже великої довжини, звані довгомірними, вимагають дуже великого попереднього натягу (~ 10 кН) для того, щоб спортсмен не торкнувся землі в середині. Незважаючи на надійні механізми натягу (наприклад, ціною блок натягу / 15: 1), датчики сили дозволяють тримати сили під контролем і уникати граничних навантажень для матеріалу каната. При «високому» способі установки каната, сили попереднього натягу не так великі, але, по-любому, повинен здійснюватися контроль пікових значень сили при приземленні спортсмена на канат (пріканатчіваніі).
До сих пір, спортсмени стикалися з небезпекою перевищення розмірів системи з багаторазової надмірністю. Насправді, було мало що відомо про реальні значеннях сил, що виникають в системі Slackline. Для належної установки системи і було прийнято рішення встановити датчик сили і провести дослідження.
3. Налаштування вимірювань
Датчик сили типу K-25 (Вимірювальний діапазон 20 кН) від Lorenz Messtechnik GmbH був обладнаний на обох сторонах кульовими вушками з різьбленням M24x2 і був безпосередньо приєднаний до канату з використанням стандартних. Через інтерфейс для датчиків типу LCV-USB , Датчик сили був безпосередньо підключений до персонального комп'ютера (до USB-порту). Відповідно до завданням, виміряні дані зберігалися за допомогою доданого ПО LCV-USB-VS і візуалізувалися у вигляді діаграми сила / час, або відображалися у вигляді аналогового індикатора за допомогою ПО Lab-View. Для визначення сили, що виникає в канаті, в Lab-View сигнал сили було накладено на сигнал синусоїдальної форми, який дозволив відстежити відносна зміна сили в залежності від активності спортсмена. 
4. Вимірювання сили в реальному часі на тренувальних курсах
На тренувальних курсах датчик сили був встановлений на канат. Завдяки цьому, слухачі курсів мали можливість спостерігати сили в реальному часі в процесі всього тренувального заняття. Особливий інтерес був викликаний при установці датчика на канат для стрибкових вправ, на якому дуже швидко були досягнуті дивно високі значення сили в ~ 9 кН.
Це дозволило учасникам курсів краще зрозуміти фізику Slackline. На них справили велике враження реальні значення сили.
5. Графіки сил при різних трюках
Також, як і до цього, датчик сили був встановлений безпосередньо на канаті (8 м) і запис кривої проводилася в процесі виконання двох різних трюків.
сальто 
Під впливом ваги спортсмена, початкове значення сили становить ~ 5 кН. Розгойдування спортсмена перед стрибком добре простежується на графіку. Після добре розпізнається стрибка, коли сила досягає пікового значення в ~ 8 кН, сила в канаті зменшується до початкового значення попереднього натягу каната ~ 3 кН.
стрибок вперед 
Легко розпізнається розгойдування перед стрибком. Два очевидних піку в ~ 8,6 кН позначають стрибок і приземлення.
6. Контроль за умови встановлення «довгомірного» каната
В даному випадку, 55-ти метровий канат натягався за допомогою натяжної пристосування 45: 1. На частині цього процесу натягу, реєструвалася сила за допомогою встановленого датчика сили. 
На графіку показано змін сили натягу в канаті в процесі його натягу пристосуванням. Особливо цікаві тут фази «відпочинку» системи, в яких сила в системі експоненціально знижується, що, в свою чергу, обумовлено характеристиками текстильного матеріалу каната.
7. Результати
Вимірювання, проведені за допомогою датчиків і периферійного обладнання від Lorenz Messtechnik GmbH, дозволяють зробити цікаві висновки. Наведені приклади показують, що навіть в коротких канатах Slackline, з порівняно невеликими попереднього натягу (<5 кН), при стрибках і подібних трюках спортсменів можуть виникати досить високі сили порядку 9 кН. Деякі виробники обладнання для Slackline, пропонують комплекти з натяжними механізмами, з зусиллям натягу всього 7,5 кН. Такі системи можуть вичерпати ліміт своїх можливостей всього лише за один день експлуатації. Сучасна технологія вимірювання від Lorenz Messtechnik GmbH дозволяє оптимізувати розмірність використовуваних в Slackline матеріалів.
Вимірювання також показали, що канат Slackline поводиться не як пружина Гука. Ефект від специфічних характеристик текстильного матеріалу, нелінійність і гістерезис явно домінують в динамічному поводженні синтетичної волоконної стрічки. Нові знання, отримані в результаті експерименту, дозволяють оптимізувати технологію кріплення каната і матеріал, з якого виготовлений канат.
*