Як кількісно оцінити удари бойових мистецтв?

28

Підзаголовок: Ах, сильний я з Силою, але як я це міряти?

Маючи все вибачення за перефразовування Йоди , я намагаюся виміряти силу. На щастя, це міряти легше, ніж міді-хлоріани .

Коли я навчаю інших в карате, одна з речей, яку я наголошую, - це зосередження уваги на техніці, що стоїть за основними ударами. Досвід показав, що правильна техніка може дати набагато більше сил за будь-який удар. Проблема, з якою я стикаюся, полягає в тому, що, хоча студент стверджує, що може «відчути» різницю в страйку більш потужним, вони часто повертаються до своєї неправильної техніки, оскільки не переконали себе, що різниця справді є.

Я хотів би розробити систему, яка вимірює силу, що стоїть за страйком. Зокрема, мені потрібно визначити якийсь датчик у точці удару, який можна використовувати. National Geographic зробила щось дуже схоже , але обладнання, яке вони використовують, як, наприклад, манекени аварійних випробувань, є надмірно дорогим. Так само мені не потрібна роздільна здатність чи точність, що надаються цим обладнанням. Якщо хто - то вдарив з 100 або 101 фунтів _е сили не має значення. Я хочу продемонструвати, коли потім переходити від 100 до 200.

Який датчик чи систему я міг би використовувати для вимірювання сили удару від різних ударів карате? В ідеалі я міг би встановити пристрій у фокусній рукавиці або подібній формі , і я міг би прикріпити колодку до регульованої системи, щоб можна було виміряти різні удари.

Мої принципові обмеження в дизайні:

низька (ер) вартість
повторювані вимірювання
діапазон 0-2000 фунтів _f

Я не шукаю повної системи системи, яка б включала всю електроніку моніторингу. Я просто намагаюся зосередитись на датчику, який може забезпечити якийсь вимірюваний вихід, наприклад, напруга.

Також зауважте, що я планую провести дроти до пристрою, тому у мене вже є простий спосіб живлення системи. Я можу в якийсь момент перейти в бездротовий зв'язок, але я б тоді використовував акумулятор і хочу, щоб це питання залишалося зосередженим на самому датчику.

sensors measurements biomechanics

1

Отже, ви хочете виміряти силу, а не енергію чи силу?

— HDE 226868

@ HDE226868 Те, що я зазвичай бачив, вимірюється від удару, - це сила, тому я думаю, що саме це очікували б і мої студенти. Це означає, що якщо ви думаєте про систему, яка б вимірювала пов'язаний вимір, то це справедлива відповідь. Це буде працювати до тих пір, поки я можу показати студенту вимірний прогрес, використовуючи правильну техніку враження.

@InstructedA - Ви думаєте, що вам може бути цікаво переглянути це питання: engineering.stackexchange.com/q/1788/16 Я вітаю вашу відповідь на це.

Я не думаю, що сила є гарною мірою удару. Енергія чи потужність були б кращими показниками. Проблема з вимірюванням впливу просто як сили полягає в тому, що ви нехтуєте часом. Відносно низький енергетичний вплив між двома нееластичними тілами (думаю, два мармури) може створити високу пікову силу, але ця сила матиме дуже коротку тривалість. Більш високий енергетичний вплив між обтягнутими тілами може мати набагато меншу пікову силу, оскільки енергія удару розсіюється за набагато довший час.

— DLS3141

@ DLS3141 - перегляньте це питання потім

14

Ви можете просто вдарити маятник і виміряти кут, під яким він хитається. Я виявив, що трилітрові пляшки соди, наповнені водою і звисають із мотузки, добре підходять для удару. Знаючи вагу пляшки, невеликий триггер дасть енергію, з якої можна отримати силу.

Редагувати: Якщо передача енергії від кулака до цілі відбувається через достатньо короткий проміжок часу, то прискорення пляшки вперед буде приблизно центробетальним прискоренням через дно дуги. Потенційна енергія у верхній частині гойдалки дорівнює кінетичній енергії на дні.

Ж = м а \to із замінами \to Ж = \frac{м (2 (\frac{м г год}{м}))}{r} = \frac{2 м г год}{r} = 2 м г (1 - \cos (θ))

$F=ma \to \text{with substitutions} \to F=\frac{m\left(2\left(\frac{mgh}{m}\right)\right)}{r} = \frac{2mgh}{r} = 2mg(1-\cos(\theta))$

а = v^{2} / r

$a=v^2/r$

= доцентрове прискорення $a$

= швидкість вздовж дуги $v$

= радіус (довжина мотузки) $r$

П Е = м г год

$PE=mgh$

= потенційна енергія $PE$

= маса $m$

= прискорення внаслідок сили тяжіння (приблизно 9,80655 м / с²або 32,1740 фут / с²) $g$

= висота $h$

К Е = 0,5 м v^{2} або v^{2} = 2 К Е / м

$KE=0.5mv^2 \text {or } v^2=2KE/m$

= кінетична енергія $KE$

= маса $m$

= швидкість вздовж дуги $v$

год = r - r (\cos (θ))

$h=r-r(\cos(\theta))$

= висота = довжина мотузки = найбільший кут мотузки від вертикалі $h$ $r$ $\theta$

— Джефф
джерело

+1 для простоти. Я погоджуюся з HDE, проте ви повинні додати математику, щоб зробити це більш повною відповіддю.

— Кріс Мюллер

1

Не впевнений, що перетворення гойдалки в число сили є таким важливим. Коливання маятника вище, коли його важче вдарити (Йода). Якщо ви розмовляєте з дітьми (або навіть старшими учнями), це все, що потрібно знати (не думайте, що розширений клас фізики не допоможе студенту-карате).

— Мартін Йорк

1

Сподіваємось, удар не такий важкий, що пляшка розбивається.

— Paŭlo Ebermann

10

Я думаю, що саме ти шукаєш датчик сили удару . Я не впевнений, наскільки дорогі пов'язані датчики, щоб ви могли також використовувати датчик прискорення і трохи по математиці. Другий варіант, ймовірно, буде менш точним, але я підозрюю, що він також буде значно дешевшим!

Я знаю, ви сказали, що не хочете повного дизайну системи, але я подумав, що піду за додатковий кредит у другому посиланні. ;)

— Олек Войнар
джерело

10

Я думаю, що ти хочеш - це п'єзоелектричний датчик тиску . Можливо, ви зможете викрасти його зі старої ваги для ванної, але датчики в масштабі можуть бути хорошими лише до ~ 100 фунтів сили. Ці п'єзоелектричні перетворювачі перетворюють прикладений тиск до невеликої напруги на двох відведеннях. Цей тиск можна перетворити на силу, вимірявши площу поверхні датчика.

Для того, щоб прочитати це, вам потрібно буде побудувати етап посилення, що, ймовірно, складається з низького рівня шуму передпідсилювача і більш міцного етапу посилення. Друга частина - це схема, яка містить максимальне значення, оскільки вас, мабуть, найбільше цікавить максимальна прикладена сила. Можливо, ви можете зробити як другий етап посилення, так і будь-яку обробку даних за допомогою Arduino .

Вам потрібно бути обережним, як ви монтуєте п’єзоелектричний перетворювач до фокусної рукавиці. Ви хочете зробити це чимось, що люди можуть пробити, не передаючи занадто багато тиску на датчик. Після того, як ви побудували його, ви зможете відкалібрувати його, розмістивши на ньому відомі ваги.

— Кріс Мюллер
джерело

1

Модифікована електрична шкала (можливо, кухня, а не ванна) - саме те, про що я думав!

— AndyT

4

Все, що п’єццо є крихким проти сили удару; кристали п’єццо - ну, кристали.

— СФ.

@SF Відмінна точка.

— Кріс Мюллер

2

@SF Тоді як ви поясните використання датчиків peizo в тестуванні на удар? Я та багато інших використовую PE-акселерометри, датчики сили тощо, для тестування ударів, випробувань на падіння та інших випробувань на удар і роблю це протягом багатьох років. Кристал п'єзо - кварцовий кристал і більше схожий на скелю, а не на скло.

— DLS3141

7

Я збираюся запропонувати трохи менш корисну відповідь, просунувши дірки у відповідях інших, щоб пояснити, чому вони не ідеальні, а потім запропонував би неповну, недобре продуману мою відповідь.

Більшість відповідей тут страждає від одного з трьох каменів спотикання:

їм потрібні зайві великі джиги, щоб зробити їх можливим із складностями, які роблять їх небажаними (маятник, я тут тебе дивлюся)
вони ігнорують закони Ньютона про реакційні сили в їхньому розумінні.
рішення є абсурдно складним для завдання, що знаходиться під рукою.

Гаразд, починаючи з маятника, перш за все, дуже нового рішення, теоретично дуже хорошого, але тут є два питання: як ви змонтуєте маятник? Чи тримає інструктор кінець струни високо над головою і сподівається, що вони не потраплять? Або ви використовуєте гойдалку A-рамку, яку ви можете знайти на дитячому майданчику? Якщо так, то ви можете просто сходити на ігровий майданчик, стати на гойдалці і нанести їм удари / колодку, це безкоштовне рішення. Якщо ви хочете чогось більш технічного, і ви розумієте, як підвісити маятник, як ви гарантуєте, що вони вдарять його прямо в площині, в площині, в якій ви вимірюєте висоту, не витрачаючи на це відро енергії, що пряде молоко? Якщо ви коли-небудь використовували гойдалки шини в дитинстві, ви знаєте, що розмахувати нею в обраній вами площині, і без обертання, є хитрою. Чим легше маса коробки, тим більше ви будете бачити миттєву силу, яка може бути тим, що ви хочете, я не б'юсь, тому не знаю, але я знаю, що найсильніший удар буде підкріплений купа енергії, не дуже короткий імпульс інтенсивного імпульсу. Стандартизація між ударами також буде проблемою, оскільки кількість часу контакту з коробкою значно вплине на висоту, на яку вона піднімається (енергія = сила х відстань).

Все, що ви тримаєте в руках, вимагає від вас не рухатися; якщо ви не Супермен, ви збираєтеся трохи рухатися, особливо, коли ваші студенти вдосконалюються, тому сила, яка зареєстрована, піде на хвіст, коли ви надаєте менший опір ударам, а це означає, що ваші студенти будуть бачити знищувальні прибутки на покращення їх техніка. Навряд чи ідеально. Єдине виправлення цього - встановити це на щось жорстке та домогтися того, щоб це вдарило. Я б запропонував стіну чи подібне, якщо можете.

Провідна піна? Наскільки це складне? Це приємне теоретичне рішення, але я не можу уявити, що це найпростіша установка.

Отже, рішення - будь-яке рішення повинно відповідати трьом критеріям: воно повинно бути дешевим і життєрадісним, воно має мати повторювані результати, і його треба якось відкалібрувати.

Спираючись на варіант рішення @ ToyB, листова пружина - це найпростіша фіксація, встановлена на дошці на щось на зразок стіни. На кожному кінці пружини слід мати проріз, що прорізається болтом через неї, щоб прикріпити пружину до дошки, дозволяючи пружині відхилятися. Прикріпіть тензодатчик на задній частині і підключіть його до простого вольтметра. Ви можете придбати всі необхідні компоненти за 10 доларів .

Відкалібруйте, розмістивши діапазон ваг на пружині (просто поставте пружину, на її дошці, на стіл, щоб це зробити) і виміряйте напруги. Щоб додати крок до складності, але вдосконалити рішення, замініть простий вольтметр на простий реєстратор даних і запишіть криву напруги, яку ви отримуєте під час потрапляння на пружину, а потім використовуйте Excel або подібне і таблицю пошуку зі своїм співвідношенням напруга-сила до дайте студентам повну криву сили їхніх хітів.

Ви можете навіть мати кілька варіантів весни для людей / ударів різних хітів, щоб підвищити точність. Я думаю, ви могли б досягти всього цього за менше ніж 50 доларів .

— thepowerofnone
джерело

Ідея маятника не така оригінальна - ознайомтеся з балістичним маятником , яке існувало з моменту його вперше опублікування в 1742 році. Що стосується розміщення маятника, якщо я можу використовувати якесь сире мистецтво ASCII: V___V Два мотузки утворюють перевернутий A- рама на будь-якому кінці, з колодою / циліндричним маятником посередині. Форма V мінімізує бічний рух, підтримка на обох кінцях мінімізує поступовий рух.

— Чак

6

Провідна піна змінить її опір при стисненні, тому він робить хороший, дешевий датчик сили, якщо у вас є система для швидкого здійснення багатьох вимірювань і запам’ятовування того, хто має найменший опір.

Залежно від сили, яку ви хочете виміряти, ви можете використовувати кілька шарів один над одним, і оскільки ви можете вирізати її в будь-якій формі, ви не обмежені (малою) поверхнею конкретного датчика.

— Guntram Blohm підтримує Моніку
джерело

1

Чи повернеться ця піна в свою первісну форму?

З мого досвіду, так, але є кілька видів піни. Часто використовується для захисту ІМС, такий тип складніше, але не вдасться розжатитися після першого стиснення. Інші піни хоч і досить м'які, і вони декомпресуються щонайменше кілька десятків разів. У Instructables є проект зі створення датчика, і вони кажуть, що є також різні типи піни. Можливо, вам слід звернутися до виробника / продавця, щоб дізнатися, яка піна найкраще відповідає вашим потребам.

— Guntram Blohm підтримує Моніку

Я вважаю, що такий підхід застосовується в електронних барабанних запусках - пристроях, які фіксують вплив барабанної палички на мембрану для перетворення їх на цифрові сигнали - примітки / події MIDI. Вони використовують своєрідну пінну шишку, яка торкається барабанної шкіри і вимірює удари.

— Петерсіс,

5

$E=mgh$

E = енергія в джоулях,

m = маса в кг,

g = 9,81м / с ^ 2,

h = різниця висоти в м

Це буде загальна кількість енергії, переданої цілі. На жаль, ця кількість енергії не обов'язково репрезентує наскільки руйнівний / бій, що закінчує бій, оскільки для того, щоб підняти його на ту висоту, повільно буде потрібно однакова енергія.

$a=2s/t^2$

a = прискорення в м / с ^ 2

s = відстань між датчиками в м

t = час у с

У вас було б дві цілі, можливо, за важливістю:

1.) змусити його прискорити якнайшвидше 2.) дістати його якомога вище

Якщо ви досягнете мети 1, ви можете викликати струс / зламане ребро, якщо вважати, що у вас достатньо 2, це означає, що ви також повинні просунути удар! Якщо ви досягнете мети 2 із поганою метою 1, ви відштовхнете противника, не завдаючи реального збитку. Напевно, мені не потрібно розгортатися з цього питання, оскільки ви інструктор з карате, вибачте за перенесення речей, які ви, напевно, вже знаєте, найкраще бути точними та завершеними. Обережно, ці значення не будуть "справжніми" в тому сенсі, що через розподіл маси по маятниковому маятнику у вас буде складніша формула для обчислення реальних значень. Однак ви отримаєте числові значення, які у вас можуть бути вищі або нижчі, і ви можете "відкалібрувати" це, давши йому удар, встановивши цілі для своїх учнів. Також,

— Дейв
джерело

4

Доцільним буде тензодатчик, прикріплений до цілі.

На відміну від п’єццо, вони дуже міцні проти дії удару (кристали п’єццо, як правило, руйнуються, коли тиск швидко застосовується).

Вони можуть бути прикріплені до досить довільної "дошки", яка дає дуже мало, тому на відміну від маятникових типів вони не фальсифікують результати силою, що застосовується повільніше, або занурюють енергію у власну гнучкість маятника. Якщо ви використовуєте пляшку з водою, як це запропоновано в іншій відповіді, "перемішування води" при ударі затопить основну частину енергії, лише частина її буде спрямована на просування самої пляшки.

І змінюючи матеріал, до якого ви їх приєднуєте, ви можете налаштувати їх на будь-яку силу - вони вимірюють напругу в матеріалі і спираючись на модуль Юнга матеріалу, вони можуть бути адаптовані до відчуття чого завгодно від сил суб-Ньютона, щоб вантажі на мости та корпуси вантажних суден. Тензодатчики

Як підійти до їх використання практично? Ви вибираєте якусь дошку, брусок або іншу поверхню, яка буде служити влученою ціллю і трохи зігнутиметься при ударі, але достатньо сильна, щоб вона не забилася, міцно прикріплена обома кінцями. Ви склеюєте жолоб на "безпечну" сторону, десь біля точки удару. Тоді ви використовуєте простий мікроконтролер ( PSoC4 приходить на думку, простий у програмі та з усім необхідним обладнанням, що залишився) та вимірюєте зміни пікового опору. Проста програма, яка підбирає піковий опір над певним порогом протягом заданого періоду часу і надсилає його через RS232 на ПК, повинна бути досить простою.

Як це відкалібрувати? Розмістіть контрацепцію горизонтально, покладіть відому статичну вагу в точку удару, виміряйте різницю між опором без навантаження та з вагою. Вага 1 кг спричинить силу 9806 ньютонів, і якщо ви не дуже захоплюєтесь матеріалом, лінійне наближення модуля Юнга досить добре; ваші показання будуть лінійно пропорційними силі, тому для вимірювання в ньютонах буде достатня проста пропорція.

— SF.
джерело

Цього тижня мені пощастило відвідати тренування PSoC4 + BLE. Я раніше не використовував PSoC, але схоже, що це чудовий продукт

— Mahendra Gunawardena

@MahendraGunawardena: Хоча PSoC має багато цікавих переваг, зокрема, CY8CKIT-049 додає до цього непогану ціну.

— СФ.

4

Це декілька пропозицій щодо розвитку системи

Я пропоную використовувати полімерний підхід типу сечового міхура, який використовується в системах виявлення зайнятості пасажу в автомобільній промисловості. Цей патент описує автомобільну заявку. Система сечового міхура була б частиною фокусної рукавиці, яка включає датчик базового диференціального тиску MEMS. Коли датчик тиску виявить силу удару, дані будуть оброблятися простим мікропроцесором, таким як крихітний Atmel, MSP430 або PIC. У разі вибору аналогового датчика тиску необхідний етап аналогового переднього кінця (AFE), але також доступні варіанти I2C або SPI.

Іншим підходом буде використання інерціальної вимірювальної одиниці (IMU), яка забезпечує пару-шість ступенів свободи (DOF) з мікропроцесором, таким як MSP430 або PIC. Ці ІМУ мають гіроскопи та акселерометри. Цей підхід дасть більше даних, які можуть бути використані для подальшого аналізу. Також зв'язок здійснюється через I2C або SPI до мікропроцесора

Датчики тиску ІМУ ПОДС

Системі знадобиться проста система живлення, як звичайна акумуляторна кнопка. Система зарядки живлення USB може бути найкращим вибором. Система зарядки USB дасть можливість завантаження даних. Також деякий тип механізму збирання енергії, такий як вібрація, може використовуватися для отримання енергії, необхідної для живлення системи, подібно до деяких нових тренажерних залів, таких як бігові доріжки, еліптичні велосипеди тощо. Це може бути чудовим додатком з низькою потужністю.

Іншим варіантом може бути підключення носіїв, таких як придатний біт, який не лише забезпечить джерело живлення, але й зберігання, огляд та аналіз даних. Fit біт також надасть можливість підключення до смарт-телефону в режимі реального часу аналізу та зворотного зв'язку студенту.

Перехід безпосередньо від фокус-рукавиці до Smart може бути чудовою пропозицією щодо додаткової вартості. Цього можна досягти багатьма способами. Використання Cortex ARM M0 micro з мікросхемою BLE може бути найкращим на сьогодні доступним варіантом. Багато постачальників, таких як NXP, Freescale і Cypress, пропонують цей варіант. Ще краще - це Cortex ARM M0 / M4 + Bluetooth з низьким рівнем енергії / Bluetooth Smart у модулі. Нижче наведено приклад такого пристрою.

Модуль BLE 1 Модуль BLE 2 Блок-схема BLE Cortex MO

Усі ці постачальники пропонують невеликий форм-фактор, доступний набір для розвитку.

Нарешті, звернення до ЛОС студентів, надання вимірюваного зворотного зв’язку в режимі реального часу між правильними та неправильними методами призведе до бажання учнів досягти досконалості.

Список літератури:

— Махендра Гунавардена
джерело

4

Ось по-справжньому дешевий і життєрадісний спосіб показати розмір впливу. Візьміть 2 дошки з фанери, покладіть велику пружину стиснення між однією та іншою дошкою, щоб пружина просочилася, але знімається хоча б однією з дощок, як "Н". Прикрутіть це до стіни. "H |" Поставте кульки розміщення розмірів для плейоду (дитячої шпаклівки), розмістіть їх всередині пружини (можливо, у поліетиленовому пакеті чи подібному, щоб заощадити на безладі), заново встановіть другу дошку та сильно натисніть на дошку. Вплив на плейдо спричинить різну деформацію залежно від того, наскільки сильно вдарив.

Якщо ви зробите дошку, яка закріплена на стіні, навколо неї, як ящик, розмістіть 5 (коротших за боки) пружини стиснення (чотири кути і середина, що тримає шпаклівку), можливо, ви могли б витягнути шматок струни друга дошка для зручності потрапляння в плейдо.

Це занадто спрощено? це дійсно залежить від того, наскільки науковий ви хочете отримати результат і наскільки ви хороші з паяльником на відміну від 6 біт дерева і 5 пружин стиснення

— Іграшка
джерело

4

Проблема з кількісною оцінкою сили удару полягає в короткій тривалості того, що зазвичай є «піковим» імпульсом. Ваги для ванної зазвичай затухають для постійного зчитування статичної сили і не дозволяють фіксувати минущі піки. Балістичні маятники також мають проблеми - деякі з яких були обговорені. Однак, для підготовки молодих бійців я б запропонував, що вам насправді не потрібно кількісно оцінювати сили, а, швидше, порівнювати їх продуктивність у часі та дозволяти порівнювати себе з іншими студентами. Для цього все, що вам потрібно зробити - це заповнити відкриту коробку (площею близько 30 см) товстим шаром з ліплення глини і закріпити коробку до стіни. Коли учень кине удар, глина буде виступати в якості матеріалу-свідка і пластично деформується. Просто виміряйте максимальну глибину депресії і запишіть це на особистий запис учня.

Звичайно, глину можна використовувати багаторазово, але вам, можливо, доведеться експериментувати, щоб отримати правильну глину для моделювання: Рома Пластиліна була кращим матеріалом для балістики вогнепальної зброї, але пластилін або Play-Doh можуть бути менш болючими для молодих карате-ка.

— rdt2
джерело