Вибрационно-резонансный метод оценки жесткости мачт

Применявшиеся ранее методы оценки жесткости мачт гоночных швертботов, при которых мачта располагалась горизонтально на двух опорах, в определенном месте к ней подвешивался груз и затем измерялись ее прогибы в различных точках, сейчас уже не удовлетворяют тренеров и яхтсменов, создателей техники для ответственных соревнований. Испытания мачт, проведенные в натурных условиях с использованием электротензометрического метода, показали, что мачты, обладающие одинаковой жесткостью при изгибе их статической нагрузкой, работают по-разному в условиях непрерывно изменяющихся ветровых нагрузок на парус. Большое влияние на форму изгиба оказывает собственная частота колебаний мачты, которая зависит от свойств материала мачты и ее конструкции¹.

Для оценки динамических свойств деревянных и металлических мачт применим распространенный в строительной технике вибрационно-pезонансный метод испытаний. При помощи этого метода определяются собственная частота колебаний мачты и логарифмический декремент колебаний, который характеризует способность мачты поглощать энергию колебаний, т. е. определяет темп затухания колебаний.

В процессе работы мачта швертбота под действием переменных ветровых нагрузок совершает как изгибные, так и крутильные колебания. Получить характеристики мачты при действии этих взаимосвязанных колебаний довольно сложно. Но если учесть, что жесткость мачты на изгиб существенно ниже, чем на кручение, с достаточной для практики точностью можно ограничиться исследованием поперечных колебаний в плоскостях максимальной и минимальной жесткости поперечного сечения мачты.

Для проведения испытаний шпор мачты закрепляется в опорном устройстве, выполненном по типу патрона с вкладышами по форме поперечного сечения мачты. Крепежные винты рекомендуется затягивать динамометрическим ключом с тем, чтобы усилие затяжки было одинаковым при всех экспериментах и не влияло на колебания. Поворотом патрона на 90° меняется плоскость колебания мачты. Колебания задает вибратор — электромагнит, устанавливаемый близ топа. На мачте над магнитом закрепляется кольцо или пластина из ферромагнитного материала. Питание электромагнита может осуществляться от сети переменного тока через низкочастотный усилитель типов УМ-5ОА, ТУ-5ОМ или ТУ-10ОМ (они используются для работы микрофона, звукоснимателя и т. п.).


На вход низкочастотного усилителя подается переменный по частоте сигнал от серийного генератора звуковых частот типа ГЗ-33, ГЗ-34. Меняя плавно частоту тока на вибраторе, задаваемую звуковым генератором, добиваются максимальной амплитуды колебаний мачты, т. е. вводят ее в резонансный режим, когда частота вынужденных колебаний равна собственной частоте колебаний мачты.

Для измерения амплитуды колебаний мачты в ее средней части крепится или приклеивается небольшая пластина из электротехнической стали, а над ней устанавливается индуктивный датчик — приемник колебаний — телефонный капсюль ТК или головной телефон (наушник). Сигнал с датчика подается на вход лампового вольтметра ВЗ-2А.

В процессе испытаний строится резонансная кривая — амплитудно-частотная характеристика мачты Частота вынужденных колебаний определяется по шкале верньера звукового генератора, соответствующая ей амплитуда — по шкале лампового вольтметра. Логарифмический декремент колебаний определяется на уровне половины резонансной амплитуды по разности боковых частот:


где σ — логарифмический декремент колебаний; f₂—f₁=Δf — разность боковых частот при амплитуде, равной половине резонансной; f₀ — резонансная частота.

По величине логарифмического декремента колебаний можно сравнивать динамические свойства мачт в одном и том же классе судов, а также судить об изменении свойств материала мачты.

Примечания

1. См., например, книгу Ю А. Ларина и Ю. В. Пильчина "Подготовка яхтсмена-гонщика" (М., «Физкультура и спорт», 1981 г.).