Jak obliczyć strajki sztuk walki?

Podtytuł: Ach, jestem silny z Mocą, ale jak to zmierzyć?

Z całego serca przepraszam za parafrazowanie Yody , próbuję zmierzyć siłę. Na szczęście łatwiej jest zmierzyć siłę niż midi-chlorianie .

Kiedy trenuję innych w karate, jedną z rzeczy, które podkreślam, jest skupienie się na technice kryjącej się za podstawowymi uderzeniami. Doświadczenie pokazuje, że odpowiednia technika może dać znacznie więcej siły za każdym uderzeniem. Problem, na który wpadam, polega na tym, że chociaż uczeń twierdzi, że „odczuwa” różnicę w tym, że strajk jest silniejszy, często wraca do swojej niewłaściwej techniki, ponieważ nie przekonał się, że różnica rzeczywiście istnieje.

Chciałbym zaprojektować system mierzący siłę uderzenia. W szczególności muszę zidentyfikować czujnik w punkcie uderzenia, którego można użyć. National Geographic zrobił coś bardzo podobnego , ale sprzęt, którego używają, taki jak manekiny do testów zderzeniowych, jest wyjątkowo drogi. Podobnie nie potrzebuję rozdzielczości ani dokładności zapewnianych przez ten sprzęt. Czy ktoś hit z 100 lub 101 lb _f siły jest nieistotna. Chcę zademonstrować, kiedy to przejdę od 100 do 200.

Jakiego czujnika lub układu mógłbym użyć do pomiaru siły przy uderzeniu z różnych uderzeń karate? Idealnie byłoby zamontować urządzenie w rękawicy fokusowej lub podobnej i móc przymocować podkładkę do regulowanego systemu, aby można było zmierzyć różne uderzenia.

Moje główne ograniczenia projektowe to:

• niski (er) koszt
• powtarzalne pomiary
• zakres 0–2000 funtów _f

Nie szukam kompletnego projektu systemu, który obejmowałby całą elektronikę monitorującą. Staram się skupić na czujniku, który może zapewnić mierzalną moc wyjściową, na przykład napięcie.

Zauważ też, że planuję poprowadzić przewody do urządzenia, więc już mam łatwy sposób na zasilenie systemu. W pewnym momencie mogę połączyć się z siecią bezprzewodową, ale wtedy użyłbym baterii i chcę, aby pytanie pozostało skupione na samym czujniku.

Możesz po prostu uderzyć w wahadło i zmierzyć kąt, w którym się waha. Odkryłem, że trzy litrowe butelki po napojach wypełnione wodą i zwisające z liny nadają się do uderzenia. Znając wagę butelki, mały spust da energię, z której można uzyskać siłę.

Edycja: Jeśli transfer energii z pięści do celu odbywa się w wystarczająco krótkim czasie, wówczas przyspieszenie butelki do przodu będzie w przybliżeniu przyspieszeniem dośrodkowym przez dno łuku. Energia potencjalna na górze huśtawki jest równa energii kinetycznej na dole.

$a$ = przyspieszenie dośrodkowe

$v$ = prędkość wzdłuż łuku

$r$ = promień (długość liny)

$PE$ = energia potencjalna

$m$ = masa

$g$ = przyspieszenie ziemskie (około 9,80665 m / s ² lub 32,1740 ft / s ² )

$h$ = wysokość

$KE$ = energia kinetyczna

$m$ = masa

$v$ = prędkość wzdłuż łuku

r $h$ = wysokość = długość liny = największy kąt liny od pionu$r$$\theta$

Myślę, że szukasz czujnika siły uderzenia . Nie jestem pewien, jak drogie są połączone czujniki, więc możesz również użyć czujnika przyspieszenia i zrobić trochę matematyki. Druga opcja prawdopodobnie będzie mniej dokładna, ale podejrzewam, że będzie również znacznie tańsza!

Wiem, że powiedziałeś, że nie chcesz pełnego projektu systemu, ale pomyślałem, że skorzystam z dodatkowego kredytu w drugim linku. ;)

Myślę, że chcesz piezoelektryczny czujnik ciśnienia . Być może uda ci się ukraść jedną ze starej wagi łazienkowej, ale czujniki w skali mogą być dobre do ~ 100 funtów siły. Te przetworniki piezoelektryczne przekształcają przyłożone ciśnienie na małe napięcie na dwóch przewodach. To ciśnienie można przekształcić w siłę, mierząc powierzchnię czujnika.

Aby to odczytać, musisz zbudować stopień wzmocnienia, prawdopodobnie składający się z niskiego poziomu szumu przedwzmacniacza i bardziej wytrzymałego stopnia wzmocnienia. Druga część to obwód, który utrzymuje maksymalną wartość, ponieważ prawdopodobnie najbardziej interesuje Cię maksymalna przyłożona siła. Prawdopodobnie możesz wykonać zarówno drugi etap wzmocnienia, jak i dowolne przetwarzanie danych za pomocą Arduino .

Należy zachować ostrożność podczas montażu przetwornika piezoelektrycznego w rękawicy fokusowej. Chcesz stworzyć coś, co ludzie mogą uderzyć, nie przenosząc zbyt dużej presji poza czujnik. Po zbudowaniu można go skalibrować, umieszczając na nim znane ciężarki.

Przedstawię nieco mniej pomocną odpowiedź, dziurawiąc dziury w odpowiedziach innych, aby wyjaśnić, dlaczego nie są idealni, a następnie oferując niepełną, źle przemyślaną odpowiedź.

Większość odpowiedzi tutaj ma jedną z trzech przeszkód:

1. wymagają niepotrzebnie dużych przyrządów, aby były wykonalne ze złożonością, która czyni je niepożądanymi (wahadło, patrzę na ciebie tutaj)
2. ignorują w swoich implikacjach prawa reakcyjnych sił Newtona.
3. rozwiązanie jest absurdalnie skomplikowane dla danego zadania.

Ok, więc zaczynając od wahadła, przede wszystkim bardzo nowatorskie rozwiązanie, teoretycznie bardzo dobre, ale są tutaj dwie kwestie: jak zamontować wahadło? Czy instruktor trzyma koniec sznurka wysoko nad głową i ma nadzieję, że nie zostanie trafiony? A może używasz huśtawkowej ramy A, którą można znaleźć na placu zabaw? Jeśli tak, możesz po prostu pójść na plac zabaw, stanąć na huśtawce i sprawić, by uderzyły cię / pad, to bezpłatne rozwiązanie. Jeśli chcesz czegoś bardziej technicznego i zastanawiasz się, jak zawiesić wahadło, w jaki sposób gwarantujesz, że uderzą one prosto w płaszczyznę, w której mierzysz wysokość, bez marnowania wiadra energii na obracanie kartonu z mlekiem? Jeśli kiedykolwiek używałeś huśtawki do opon jako dziecko, będziesz wiedział, że huśtanie się nią w wybranym przez ciebie samolocie i bez obracania się jest trudne. Im lżejsza masa kartonu, tym bardziej zobaczysz tylko siłę chwilową, co może być tym, czego chcesz, nie walczę, więc nie wiem, ale wiem, że najcięższe uderzenie zostanie cofnięte kupa energii, niezbyt krótki impuls intensywnego pędu. Standaryzacja między ciosami będzie również wyzwaniem, ponieważ czas kontaktu z kartonem będzie miał duży wpływ na wysokość, na którą wzrasta (energia = siła x odległość).

Wszystko, co trzymasz w rękach, będzie wymagać od ciebie, aby się nie ruszać; chyba że jesteś Supermanem, poruszysz się trochę, zwłaszcza gdy twoi uczniowie się poprawią, więc zarejestrowana siła się zmniejszy, ponieważ zapewnisz mniejszy opór uderzeniom, co oznacza, że ​​twoi uczniowie zobaczą niszczycielskie zyski po poprawie ich technika. Niezbyt idealne. Jedynym rozwiązaniem tego jest zamontowanie tego na czymś sztywnym i sprawienie, by uderzyły w to. Sugerowałbym ścianę lub podobny, jeśli możesz.

Pianka przewodząca? Jak bardzo się to komplikuje? To fajne rozwiązanie teoretyczne, ale nie wyobrażam sobie, aby była to najprostsza instalacja.

Tak więc rozwiązanie - każde rozwiązanie musi spełniać trzy kryteria: musi być tanie i wesołe, musi mieć powtarzalne wyniki i musi być jakoś skalibrowane.

Oparta na wariancie rozwiązania @ ToyB sprężyna płytkowa jest tutaj najprostszym rozwiązaniem, zamontowanym na desce na czymś w rodzaju ściany. Na każdym końcu sprężyna powinna mieć nacięcie szczelinowe, przez które przechodzi śruba, aby przymocować sprężynę do deski, umożliwiając jednocześnie sprężynę ugięcie. Zamocuj tensometr z tyłu i podłącz go do prostego woltomierza. Możesz kupić wszystkie niezbędne komponenty za 10 USD .

Skalibruj, umieszczając zakres obciążeń na sprężynie (wystarczy umieścić sprężynę, na jej desce, na stole, aby to zrobić) i zmierzyć napięcia. Aby dodać krok do złożoności, ale poprawić rozwiązanie, zamień prosty woltomierz na prosty rejestrator danych i zapisz krzywą napięcia, którą otrzymujesz po uderzeniu w sprężynę, a następnie użyj programu Excel lub podobnego oraz tabeli przeglądowej z relacją napięcia do siły, aby daj swoim uczniom pełną krzywą siły ich trafień.

Możesz nawet mieć kilka opcji wiosennych dla ludzi / uderzeń różnych trafień, aby poprawić swoją celność. Wyobrażam sobie, że możesz to wszystko osiągnąć za mniej niż 50 USD .

Pianka przewodząca zmieni jej opór po ściśnięciu, dzięki czemu tworzy dobry, tani czujnik siły, pod warunkiem, że masz system do wykonywania wielu pomiarów w krótkich odstępach czasu i pamiętasz ten o najmniejszym oporze.

W zależności od siły, którą chcesz zmierzyć, możesz użyć kilku warstw nad sobą, a ponieważ możesz wyciąć go w dowolnym kształcie, nie jesteś ograniczony do (małej) powierzchni określonego czujnika.

$E=mgh$

E = energia w dżulach,

m = masa w kg

g = 9,81 m / s ^ 2,

h = różnica wysokości wm

Będzie to całkowita ilość energii przekazanej do celu. Niestety, ta ilość energii niekoniecznie jest reprezentatywna dla tego, jak destrukcyjne / kończące walkę jest uderzenie, ponieważ spychanie jej na tę wysokość powoli będzie wymagało tej samej energii.

$a=2s/t^2$

a = przyspieszenie wm / s ^ 2

s = odległość między czujnikami wm

t = czas ws

Miałbyś dwa cele, prawdopodobnie w kolejności ważności:

1.) spraw, aby przyspieszył tak szybko, jak to możliwe 2.) osiągnij jak najwyższy poziom

Jeśli osiągniesz cel 1, możesz spowodować wstrząs mózgu / złamane żebro, zakładając, że masz wystarczającą liczbę 2, co oznacza, że ​​będziesz musiał także przepchnąć się przez uderzenie! Jeśli osiągniesz cel 2 przy słabym celu 1, odepchniesz przeciwnika, nie powodując żadnych rzeczywistych obrażeń. Myślę, że tak naprawdę nie muszę się tym zajmować, ponieważ jesteś instruktorem karate, przepraszam za omawianie rzeczy, które prawdopodobnie już wiesz, najlepiej jest być dokładnym i kompletnym. Uwaga, wartości te nie będą „rzeczywiste” w tym sensie, że ze względu na rozkład masy w ruchomym wahadle będziesz miał bardziej skomplikowany wzór do obliczania rzeczywistych wartości. Otrzymasz jednak wartości liczbowe, które możesz mieć wyższe lub niższe, i możesz je „skalibrować”, wykonując kopniak samodzielnie, ustalając cele dla swoich uczniów. Również,

Guage szczep przyłączony do celu byłoby pomocne.

W przeciwieństwie do piezzo, są one bardzo odporne na działanie siły uderzenia (kryształy piezzo mają tendencję do rozpadania się przy gwałtownym przyłożeniu ciśnienia).

Można je przymocować do praktycznie dowolnej „deski”, która daje bardzo niewiele, więc w przeciwieństwie do typów wahadła, nie będą fałszować wyników przy użyciu wolniej działającej siły, ani nie zatopią energii we własnej elastyczności wahadła. Jeśli użyjesz butelki z wodą, jak sugerowano w innej odpowiedzi, „mieszanie wody” z uderzeniem pochłonie znaczną część energii, tylko część z niej będzie napędzać samą butelkę.

Zmieniając materiał, do którego je przyczepisz, możesz dostroić je do praktycznie dowolnej siły - mierzą naprężenie w materiale i na podstawie modułu Younga materiału, mogą być przystosowane do wykrywania wszystkiego, od sił sub-Newtona, do obciążenia mostów i kadłubów statków towarowych.

Jak podejść do ich praktycznego wykorzystania? Wybierasz jakąś deskę, pręt lub inną powierzchnię, która posłuży jako cel do trafienia i ugnie się nieco przy uderzeniu, ale wystarczająco mocna, aby się nie trzasnęła, mocno przymocowana do obu końców. Przyklejasz przyrząd do „bezpiecznej” strony, gdzieś w pobliżu punktu uderzenia. Następnie używasz prostego mikrokontrolera ( przychodzi na myśl PSoC4 , łatwy do zaprogramowania i z pozostałym sprzętem potrzebnym na pokładzie) i mierzysz zmiany rezystancji szczytowej. Prosty program, który wybiera rezystancję szczytową powyżej określonego progu w określonym przedziale czasowym i przesyła ją przez RS232 do komputera, powinien być dość prosty.

Jak to skalibrować? Ustaw urządzenie poziomo, umieść znaną masę statyczną w punkcie uderzenia, zmierz różnicę między oporem nieobciążonym a ciężarem. Ciężar 1 kg wyniesie siłę 9,806 niutonów, a jeśli nie podoba ci się materiał, liniowe przybliżenie modułu Younga jest całkiem dobre; twoje odczyty będą liniowo proporcjonalne do siły, więc wystarczy prosta proporcja, aby uzyskać pomiar w niutonach.

Oto kilka sugestii dotyczących rozwoju systemu

Sugeruję zastosowanie polimerowego typu pęcherza stosowanego w systemach wykrywania obecności pasażerów w przemyśle motoryzacyjnym. Ten patent opisuje aplikację motoryzacyjną. Układ pęcherza byłby częścią rękawicy ogniskującej, która zawiera podstawowy czujnik różnicy ciśnienia MEMS. Gdy czujnik ciśnienia wykryje siłę uderzenia, dane będą przetwarzane przez prosty mikroprocesor, taki jak Atmel tiny, MSP430 lub PIC. W przypadku wyboru analogowego czujnika ciśnienia wymagany jest stopień Analog Front End (AFE), ale dostępne są również opcje I2C lub SPI.

Innym podejściem będzie zastosowanie inercyjnej jednostki pomiarowej (IMU), która zapewnia połączenie dwóch do sześciu stopni swobody (DOF) z mikroprocesorem takim jak MSP430 lub PIC. Te IMU mają żyroskopy i akcelerometry. Takie podejście zapewni więcej danych, które można wykorzystać do późniejszej analizy. Również komunikacja odbywa się za pośrednictwem I2C lub SPI z mikroprocesorem

System będzie wymagał prostego systemu zasilania, takiego jak zwykła bateria guzikowa wielokrotnego ładowania. System ładowania zasilania USB może być najlepszym wyborem. System ładowania USB włączy opcję pobierania danych. Również pewien rodzaj mechanizmu pozyskiwania energii, taki jak wibracje, może być wykorzystywany do generowania energii wymaganej do zasilania systemu, podobnie jak niektóre nowe maszyny do ćwiczeń, takie jak bieżnie, rowery eliptyczne itp. Może to być świetna aplikacja o niskiej mocy.

Inną opcją byłoby podłączenie urządzenia do noszenia, takiego jak dopasowany bit, który zapewni nie tylko źródło zasilania, ale także przechowywanie, przegląd i analizę danych. Fit bit daje również możliwość połączenia ze smartfonem analizy w czasie rzeczywistym i informacji zwrotnych dla studenta.

Przejście bezpośrednio z focus mitt na Smart może być świetną propozycją o wartości dodanej. Można to osiągnąć na wiele sposobów. Korzystanie z Cortex ARM M0 micro z BLE na chipie może być najlepszą obecnie dostępną opcją. Wielu dostawców, takich jak NXP, Freescale i Cypress, oferuje tę opcję. Jeszcze lepiej jest Cortex ARM M0 / M4 + Bluetooth Low Energy / Bluetooth Smart w module. Poniżej znajduje się przykład takiego urządzenia.

Wszyscy ci dostawcy oferują niewielki zestaw niedrogiego zestawu programistycznego.

Wreszcie, aby zająć się LZO uczniów, dostarczenie w czasie rzeczywistym mierzalnych informacji zwrotnych między prawidłowymi a niepoprawnymi technikami sprawi, że uczniowie będą chcieli osiągnąć doskonałość.

Referencje:

• System detekcji masy pasażera z kompensacją pozycji pasażera
• Czujniki ciśnienia PS
• 6-stopniowa swoboda Cyfrowa kombi IMU
• Seeed Micro BLE Module w / Cortex-M0 nRF51822 SoC
• Kinetis KW2x - 2,4 GHz RF, analogowy sygnał mieszany, IEEE® 802.15.4, mikrokontrolery małej mocy (MCU)
• Produkty i rozwiązania dla łączności Bluetooth Smart
• Programowalny System-on-Chip (PSoC®) + Bluetooth Low Energy

Oto naprawdę tani i wesoły sposób pokazania wielkości efektu. Weź 2 deski ze sklejki, umieść dużą sprężynę dociskową między jedną a drugą deską, aby sprężyna była wciśnięta, ale można ją usunąć za pomocą co najmniej jednej z desek, np. „H”. Przykręć to do ściany. "H |" Zdobądź ustawione kule wielkości playdo (kit dla dzieci) na tych sprężynach (prawdopodobnie w plastikowej torbie lub podobnej, aby zaoszczędzić na bałaganie), zamontuj 2. planszę i mocno uderz w planszę. Wpływ na grę spowoduje różne deformacje w zależności od siły uderzenia.

Jeśli sprawisz, że deska przymocowana do ściany ma boki wokół niej jak pudełko, umieść 5 (krótszych niż boki) sprężyn naciskowych (cztery rogi i środek przytrzymujący kit), prawdopodobnie możesz mieć kawałek sznurka do wyciągnięcia druga tablica ułatwiająca dotarcie do playdo.

Czy to zbyt uproszczone? to naprawdę zależy od tego, jak naukowy chcesz wynik i od tego, jak dobry jesteś z lutownicą, w przeciwieństwie do 6 kawałków drewna i 5 sprężyn naciskowych

Problem z kwantyfikacją siły uderzenia polega na krótkim czasie trwania impulsu „szczytowego”. Wagi łazienkowe są zwykle tłumione, aby zapewnić stały odczyt siły statycznej i nie wychwytuje przejściowych szczytów. Wahadła balistyczne mają również problemy - niektóre z nich zostały omówione. Jednak w przypadku szkolenia młodych wojowników sugeruję, aby tak naprawdę nie musieć określać siły, ale raczej porównywać ich wyniki w czasie i pozwolić im porównać się z innymi uczniami. Aby to zrobić, wystarczy wypełnić otwarte pudełko (około 30 cm kwadratowych) grubą warstwą modeliny i przymocować pudełko do ściany. Kiedy uczeń rzuci cios, glina będzie działać jako materiał świadka i odkształci się plastycznie. Wystarczy zmierzyć maksymalną głębokość depresji i zapisać ją w osobistym rejestrze ucznia.

Glina jest oczywiście wielokrotnego użytku, ale być może trzeba będzie eksperymentować, aby uzyskać odpowiednią glinę do modelowania: Roma Plastilina była preferowanym materiałem do balistyki broni palnej, ale plastelina lub Play-Doh mogą być mniej bolesne dla młodych karate-ka.