Для учащижся старших классов

Профессия - изобретатель

Займемся физкультурой

Семейные гантели Виктора Баранова. Проблема создания и усовершенствования гантелей с переменной массой занимала изобретателей уже в начале нашего века. Одним из первых технических решений в этой области является изобретение А. П. Васильева, заявленное в мае 1927 г. (патент № 8109). Его автор предлагает прикреплять к «...шейке штанги, изготовленной из плотного вязкого дерева (например, березы, клена и т.п.), закрытый мешок с песком, выполненный из хорошо продубленной кожи... К паре гантелей прилагаются разного объема мешочки с целью изменения массы». Физкультурников того времени несколько смущала процедура изменения массы гантелей, заключавшаяся в том, что «...мешок своим отверстием, служащим для наполнения его песком, надевается на конусную головку... и закрепляется гибкой нитью на шейке штанги». В связи с этим вопрос об универсальных гантелях не был решен, поиски продолжались.

А всего через год, в мае 1928 г., изобретателем В. А. Зембров-ским были предложены гантели (патент № 9746), весьма напоминающие современные конструкции. Вместо мешочков с песком использовался набор съемных плоских дисков, надеваемых на стержень, являющийся одновременно рукояткой гантели. На краях рукоятки предусматривались жестко закрепленные шайбы, ограничивающие с внутренней стороны перемещение сменных дисков. С внешней стороны диски закреплялись подпружиненными шайбами, фиксация которых относительно стержня осуществлялась специальными шплинтами. Таким образом, изобретатель В. А. Зембровский предложил весьма удобную и технологичную (что немаловажно для серийного производства, особенно при существовавшем дефиците на «хорошо продубленную кожу») конструкцию. Подобные гантели успешно используются и в настоящее время, так что на первый взгляд проблема гантелей с изменяемой массой была исчерпана уже в 1928 г.

Однако с этим не согласился ленинградский изобретатель Виктор Баранов. В соавторстве с обучавшимся в то время в Ленинграде финским студентом Юрки Миккола он в 1978 г. подал заявку и получил авторское свидетельство № 801843 на изобретение под названием «Гантель». В изобретении была не только гантель с переменной массой, но и целый набор парных гантелей различных масс. Суть решения заключается в том, что гантель представляет собой полый разборный корпус, состоящий из двух симметричных относительно продольной плоскости частей (рис. 17). В полости гантели размещен вкладыш, также состоящий из двух симметричных частей.

Рис. 17. Несколько вкладышей и почти неограниченный набор весовых комбинаций — девиз изобретателя В. Баранова.

Общая масса гантели изменяется путем различного сочетания упомянутых элементов. В примере, приведенном в описании изобретения, масса каждой из половин корпуса —3 кг, общая масса вкладыша —4 кг (авторы предлагают выполнение вкладыша из двух половин одинаковой массы, т. е. по 2 кг).

Набор масс, реализуемый с помощью одной гантели, .составляет 3 кг — при использовании одной половины соответственно вкладыша или корпуса; 4 кг — с целым вкладышем; 5 кг — с половиной корпуса и вложенной в нее половиной вкладыша; 6 кг — с целым корпусом без вкладыша; 7 или 8 кг — с целым вкладышем и одной половиной соответственно корпуса или вкладыша; 10 кг — при полностью собранной гантеле (корпус с вкладышем).

Если подходить к гантели Баранова и Миккола только как к гантели с изменяемой массой, ее преимуществом безусловно является конструктивная элегантность. Можно отметить и существенный недостаток описания изобретения: авторы не указывают, каким образом осуществлять взаимное крепление элементов гантели (а что, если пофантазировать и сделать эти элементы магнитными?). Но не упустим за всем этим еще одного преимущества — из одной гантели мы можем сделать и два варианта равновесных пар: по 2 или по 3 кг. Это уже не просто гантели, а гантели семейные.

Напрашивается мысль о дальнейшем секционировании вкладыша: не помешал бы и «тройной» комплект гантелей. Вместе с тем набор масс гантели в случае «самостоятельного» ее использования может быть легко увеличен от 8 до 15 при том же числе составных элементов, для чего их массы нужно сделать неравными. Например, при массе частей корпуса в 2 и 4 кг, а частей вкладыша — в 0,5 и 1 кг можно получить 15 комбинаций от 0,5 до 7,5 кг с дискретом 0,5 кг. При массе частей корпуса в 4 и 6 кг, а частей вкладыша в 1 и 2 кг реализуется набор масс от 1 до 15 кг с дискретом 1 кг и т. д. Дальше попробуйте пофантазировать сами.

Траектории «хитрого» мяча. Если представить, что со временем у «спортивных» изобретателей возникнет своя профессиональная терминология, то заранее можно посоветовать исключить из нее устаревшие понятия типа «изобрести велосипед» и т. д. Трудно поверить, но их по-прежнему активно изобретают, правда чаще всего в составе тренажеров и велоэргометров. А вот изобретение под прозаичным названием «Мяч» (авторское свидетельство № 704638) настораживает даже при самом благодушном подходе.

«Известен мяч, содержащий покрышку и камеру...» — сообщает нам констатирующая часть изобретения В. А. Украинского и В. А. Филимонова. Согласны, известен, притом довольно давно. И, казалось бы, всех в принципе устраивает. Оказывается, всех, кроме авторов указанного изобретения. Они считают, что игровые возможности мяча ограничены. При ударе он летит по строго заданной траектории, определяемой силой и направлением удара, местом его приложения и действием силы тяжести, т. е. траектория полета мяча может быть предсказана практически в каждом конкретном случае. А вот В. А. Украинский и В. А. Филимонов предлагают «хитрый мяч», который после обычного удара полетит по непредсказуемой траектории.

Рис. 18. Различные варианты подвески груза делают траекторию полета мяча практически непредсказуемой: а — фиксированная; б — с осевым перемещением; в — пружинная.

А суть решения чрезвычайно проста — центр масс «хитрого» мяча не совпадает с его геометрическим центром (рис. 18, а). В мяче не одна, а две камеры 1, 2, причем в дополнительной камере 2 расположен груз 3, закрепленный на ее внутренней (по отношению к покрышке 4) стенке. Каждая из камер имеет отдельный ниппель 5, 6; груз в дополнительной камере крепится с помощью резиновой пластины 7, прикрепляемой к внутренней стенке камеры.

После удара такой мяч полетит, вращаясь вокруг траектории движения центра масс. А сама эта траектория зависит уже от расположения точки и направления удара по отношению к месту расположения груза. Такое количество «степеней свободы» нового мяча дает огромное число практически непредсказуемых траекторий его полета. При этом его функциональные возможности значительно расширяются. Не думаю, что такой мяч найдет применение в традиционных игровых видах спорта, а вот в группах общей физической подготовки, на уроках физкультуры в школе, играх дошкольников такой мяч очень бы пригодился. Его присутствие введет элемент неожиданности в большинство упражнений с мячом, внесет столь необходимое разнообразие в привычные игровые ситуации.

А теперь, как и раньше, пофантазируем. Известно, что в спортивно-оздоровительных группах наряду с обычным мячом часто используют специальный утяжеленный мяч («медицинбол»). Небольшое смещение центра масс такого мяча также могло бы привести к расширению его игровых возможностей. Причем технически осуществить переделку мяча довольно просто, в отличие от полого мяча. Конечно, первые занятия с «модифицированным» мячом потребуют определенной подготовки и, главное, осторожности.

Среди очевидных преимуществ «хитрого» мяча нужно отметить возможность его использования для повышения реакции у спортсменов. Казалось бы, конструкция «хитрого» мяча нашла не только оригинальное, но и исчерпывающее решение. Однако авторы, как истинные изобретатели, были с этим несогласны. В итоге в том же году появился новый мяч (авторское свидетельство № 782817), в котором груз был закреплен в полости таким образом, чтобы обеспечивалась возможность его перемещения.

Справедливости ради заметим, что помещение подвижного груза в полости мяча было впервые предложено в патенте Германии № 347326 еще в 1922 г. В центре такого мяча был помещен груз, закрепленный с помощью пружин, равномерно расположенных вдоль сферических радиусов внутренней полости мяча (рис. 18, б). При ударе по мячу груз приходил в колебательное движение и центр масс мяча смещался. Таким образом, траектория полета мяча носила колебательный характер.

Естественно, что «модуляция» траектории за счет колебаний груза должна зависеть как от силы удара, так и от жесткости пружинной подвески. В новой конструкции мяча по авторскому свидетельству № 782817 предлагалось увеличить сами пределы смещения груза. Внутри полости мяча (рис. 18, в) расположился стержень 1, прикрепленный к внутренним стенкам покрышки 2 с помощью присосок 3. Вдоль стержня свободно перемещается груз 4; пружины 5, расположенные на краях стержня, обеспечивают колебательный характер смещения груза в пределах всей длины стержня. Значительный диапазон смещения центра масс мяча при полете и собственно колебательный характер смещения обусловливают самые неожиданные траектории полета.

Такие вот «хитрые» мячи изобретают неугомонные фантазеры уже более пятидесяти лет. Скажете — причуды, которые никому не нужны? Готов спорить с этим утверждением. Почему бы не разнообразить привычные игры с мячом? Наверное, сместить центр масс мяча можно было бы и попроще, не вклеивая второй камеры или не вводя пружин. Возьмите хотя бы наш собственный вариант с медицинболом. Или вставьте в большой бескамерный мяч утяжеленный теннисный... Но не в этом же дело! Интересно то, что привычный всем предмет вдруг начинают рассматривать как бы под новым, неожиданным углом зрения. И тут-то и возникают идеи, придающие ему совсем новое качество. Именно такой вот нестандартный взгляд на окружающий мир совершенно необходим изобретателю...

* * *

Героями первой части нашего рассказа стали, возможно, не самые эффектные, но довольно характерные представители спортивных изобретений. Их особенность в том, что авторами найдены необычные интерпретации самых обычных предметов, сообщающие им новые качества. А вот такому устройству, как лыжное крепление, никаких новых качеств вроде бы придавать и не нужно. Требования к нему определены давным-давно. Но полного соответствия этим требованиям нет пока ни у одной из многочисленных конструкций, созданных за последние годы.

Тридцать лет из истории лыжного крепления. Сравнительно недавно переход от «мягкого» (ременного) крепления к полужесткому и жесткому обозначал очередной этап роста (как в буквальном, так и в техническом плане) начинающего лыжника. Вряд ли школьники, избалованные современным снаряжением, разберутся с путаницей ремней «классического» полужесткого крепления образца 50-х годов, предназначенного больше для сапог, ботинок или даже валенок. Естественно, что с организацией массового производства специальной лыжной обуви возникла задача разработки надежной и технологичной конструкции лыжного крепления для широкого потребителя.

Над этой проблемой работало не одно поколение изобретателей; анализ патентного фонда показывает, что интерес к ней не потерян и сегодня; Правда, значительное число изобретателей тяготеет к специфическим проблемам конструирования горнолыжных креплений, но и в области беговых лыж появляется немало интересных технических решений, некоторые из которых могут служить хорошим примером изобретательской деятельности на таком понятном и доступном многим поприще — создании и усовершенствовании спортинвентаря. Будет интересно также на этом сравнительно несложном объекте проследить развитие изобретательской мысли на довольно протяженном этапе.

Предпосылки к появлению современных конструкций лыжных креплений прослеживаются еще в работах советских изобретателей 30-х годов. Их главная цель — уход от сложной системы ремней — видна уже в названиях изобретений. Например, «Приспособление для безременного скрепления лыж с обувью», предложенное в 1935 г. Д. А. Закориным (авторское свидетельство № 47585), в котором впервые по-новому, а главное, неожиданно просто решается задача взаимной фиксации ботинка с пластиной крепления.

Нужно сказать, что в большинстве конструкций уже более 30 лет используют различные модификации традиционного крепления, содержащего откидную дужку, взаимодействующую с рантом ботинка. Одним из многочисленных усовершенствований этой конструкции явилось крепление, предложенное в 1951 г. в изобретении П. В. Русинова (авторское свидетельство № 97640). Автор решил отказаться от традиционных (кстати, и по сей день) штифтов, укрепленных на скобе крепления и врезающихся в подошву обуви. Результат взаимодействия штифтов (шипов) с подошвой хорошо знаком каждому лыжнику, причем как в техническом, так и в материальном плане: изношенные ботинки практически не восстанавливаются. П. В. Русинов же предложил использовать для фиксации специальные коробчатые упоры 1 (рис. 19), устанавливаемые на ранте 2 обуви. При этом крепление состоит из двух полускоб 5, 5, прикрепляемых шурупами к лыже 4, и откидной дужки 3, запираемой замком 7. При опускании дужки 3 ее концы 8 входят в упоры 1 и фиксируют положение ботинка относительно крепления. Вот и вся нехитрая, но весьма изящная конструкция.

Рис. 19. Одна из первых конструкций «жесткого» рычажного крепления с фиксирующими упорами на ранте обуви.

Наряду со штифтами другим элементом крепления является замок 7. Размещение замка конструктивно независимо от скобы (основания) крепления вынуждает при установке крепления на лыже проводить их тщательное совмещение, связанное иногда и с дополнительным сверлением лыж. Напрашивается очевидный для сегодняшнего дня вывод — совместить замок непосредственно со скобой крепления. Одной из первых реализаций такого решения является уже далеко не «молодое» изобретение В. В. Фролова (авторское свидетельство № 215775). Крепление, предложенное В. В. Фроловым, состоит из опорной пластины 1 (рис. 20, а) со щечками 2; в средней части опорной пластины шарнирно закреплена упругая дужка 3. При пользовании креплением сначала откидывают упругую дужку 3, после этого устанавливают лыжный ботинок на опорную пластину 1, совмещая отверстия в подошве с шипами. Опуская дужку 3, ее концы заводят в крюкообразные изгибы 4, поджимая рант ботинка к основанию опорной пластины. Весьма конструктивный вариант совмещения всех элементов крепления на общем основании!

Рис. 20. Оригинальные варианты фиксации дужки крепления: а — в специальных изгибах щечек опорной пластины; б — подпружиненный, с фиксирующими бортиками.

Свое дальнейшее развитие это техническое решение получило в изобретении Н. Г. Никишова и Р. М. Мамина (авторское свидетельство № 629942), которое мы еще рассмотрим далее. А вот в изобретении В. М. Харченко (авторское свидетельство № 234906) реализованы сразу оба преимущества описанных выше конструкций. Во-первых, в его креплении отсутствуют шипы на основании 1 опорной пластины (рис. 20, б); во-вторых, замок совмещен с основанием крепления. Рассмотрим эту конструкцию подробнее. Опорная пластина 1 содержит щечки 2 со специальными бортиками 3, к которым прикреплена упругая дужка 4. В зоне соприкосновения дужки 4 с рантом 5 обуви уже на самой дужке установлены шипы 6, входящие в отверстия, предусмотренные в ранте. За счет упругости дужки 4 в нерабочем состоянии (при вынутом ботинке) она находится в нижнем положении, ограниченном моментом соприкосновения отогнутого козырька 8 дужки с поверхностью лыжи. Перед закреплением ботинка дужка 4 отводится вверх за козырек 7 до соприкосновения с бортиками 3. Ботинок вставляется до упора, при этом отверстия в его ранте совмещаются с шипами 6, дужка опускается и шипы фиксируют положение ботинка. Скобу в данном креплении выполняют из листового металла, что позволяет заменить нетехнологичную операцию фасонной гибки обычной штамповкой.

Как вы помните, рассмотренная нами история лыжного крепления начинается с 50-х годов — времени массового использования жестких креплений. Конструкцию П. В. Русинова (см. рис. 19) можно считать типичной для креплений «рычажного» типа¹, преобладавших в течение многих лет среди других конструктивных модификаций. В этих конструкциях главными «рабочими» элементами крепления служат основание и шарнирно установленная на нем дужка. Собственно лыжный ботинок в ряде конструкций содержит только некоторые второстепенные элементы крепления (коробчатые упоры, пластины с выступами), однако роль этих элементов сводится лишь к улучшению относительной фиксации ботинка и основания.

При рассмотрении конструкций креплений «рычажного» типа напрашивается мысль, что принцип прижима ранта — далеко не оптимальное решение соединения ботинка и лыжи. Рассуждая, приходишь к выводу, что необходимо иметь свободное перемещение ботинка только в одной плоскости, перпендикулярной к поверхности лыжи и проходящей через ее ось. А ведь его идеально реализует обычное шарнирное сочленение — петля (например, дверная или оконная). Заметим, что шарнирное закрепление самой дужки в креплениях рычажного типа обеспечивает ей свободное перемещение в заданной плоскости. Ей, но не ботинку, который по значительной части периметра подошвы прижат к основанию крепления. Итак, петля; но в этом случае одна из половин ее должна жестко размещаться на ботинке (подошве), а другая — на поверхности лыжи. Если ось петли закрепить таким образом, чтобы она могла легко (но не произвольно) выниматься, то задачу «открывания» и «закрывания» крепления можно считать решенной. Нет необходимости объяснять, что такие детали, как основание, щечки, дужка и замок, при этом становятся лишними.

Идея «петлевого» крепления увлекла многих изобретателей, и в последние годы конструкции такого типа стали вытеснять «рычажные» крепления, применяемые ранее на беговых лыжах. Одним из первых изобретателей «петлевого» крепления считают уже упоминавшегося Д. А. Закорина. Правда, в его «Приспособлении для безременного скрепления лыж с обувью» петли использовались лишь для «жесткой» фиксации ботинка, однако это были именно разъемные петли. Описание изобретения Д. А. Закорина интересно не только как иллюстрация технического решения, но и в смысле самой постановки проблемы создания «жесткого» крепления.

Рис. 21. Первое осевое крепление конструкции Д. Закорина.

Сторонник безременного скрепления, Д. А. Закорин был убежден, что «успех лыжных переходов по гористой местности всецело зависит от удачного и надежного прикрепления обуви лыжника к лыжам». Уже в самом начале описания звучит главная идея конструкции: «...изобретение относится к приспособлениям для безременного скрепления лыж с обувью с применением прикрепляемых к подошве и лыже пластин». Именно о двух пластинах — частях петли, соединяемой съемной осью, и идет речь в данном изобретении. Одну из пластин 1 (рис. 21) закрепляют на подошве ботинка 2 с помощью шурупов 3. Другую пластину 4 устанавливают на поверхности лыжи 5. Обе пластины имеют выступающие изогнутые кромки, образующие две трубчатые части:. 6— на пластине, установленной на ботинке, и 7 — на «лыжной» пластине. Причем эти трубчатые части при совмещении пластин образуют сплошной трубчатый канал; в этот канал и вставляют стержень (ось) 5, обеспечивая неподвижное сцепление пластин 1,4 и соответственно ботинка с лыжей.

В инструкции к пользованию креплением Д. А. Закорин рекомендует сначала «точно наступить подошвой сапога с пластиной 1 на лыжу с непременным попаданием выступов пластины 1 в прорези пластины 4 и закрепить стержни 8 в трубках». Заметьте, что наступить надо было именно «подошвой сапога» — о массовом выпуске специальной лыжной обуви в 1935 году можно было только мечтать (хотя для «петлевого» крепления рант не нужен). Но уже тогда было реализовано первое «петлевое» крепление — прообраз настоящих наисовременнейших конструкций. И еще несколько слов об изобретении Закорина. В конце описания изобретения звучит такая фраза: «Не следует разрезать пластины для подгонки к ботинку, так как это ослабит конструкцию, а следовательно, и прочность крепления». Вспомним, что большинство креплений в 60—70-е годы выпускались с разрезной скобой, подгоняемой под размер ботинка. Появление в конце 70-х годов креплений со сплошной скобой, выбираемой по размеру обуви, стало заметным этапом модернизации массовых лыжных креплений. А ведь сама идея поразмерного комплектования (а не подгонки!) креплений была высказана еще в 1935 г.

Для получения совершенно новой конструкции крепления, в которой ботинок свободно перемещался бы относительно оси петли, петлевое крепление оставалось повернуть лишь на 90°. Этот поворот одними из первых и осуществила группа авторов «Лыжного крепления» (авторское свидетельство № 548283), правда, ровно сорок лет спустя.

Рис. 22 Современный вариант петлевого крепления с «полуавтоматической фиксацией ботинка.

«Крепление имеет основание 1 (рис. 22) со щечками 3, в прорезях которых шарнирно закреплена дужка 2». Авторы, скорее по инерции, пользуются традиционной терминологией «рычажных» креплений. Однако сами элементы — основание со щечками, дужка — претерпели в петлевом креплении весьма значительные, а главное, принципиальные изменения. Упругая дужка установлена в основании таким образом, чтобы ее концы 4 выступали из отверстий в щечках; причем величину этих выступов ограничивает специальный кулачок 5, неподвижно установленный на основании и ботинка не «вывешивается» над лыжей, устраняются лишние зазоры в креплении.

Фиксация ботинка в этом креплении будущего десятилетия только автоматическая. Желательно обеспечить и упрощенный сброс лыжи, например кнопочным размыкателем, предложенным в последние годы некоторыми конструкторами. Кажется, получается практически безукоризненная конструкция. Но пока — только в качестве постановки задачи. А для ее реализации основа уже есть — те самые изобретения, с которыми мы с вами познакомились. Недостаточно? Ну что же, попробуйте сами.

А нам пора переключиться со спортивной тематики на так называемую бытовую. Пусть вас не смущает название — многие блестящие изобретения лежат в основе давно привычных нам предметов. И это должен доказать раздел:

¹К креплениям «рычажного» типа условимся относить рассмотренные выше крепления с упругой дужкой, осуществляющей прижим ранта обуви к основанию крепления.