KJR-C3004 KONE- JA RAKENNUSTEKNIIKAN LABORATORIOTYÖT KOESUUNNITELMA. Hiilikuituisen kajakkimelan varren jännitysprofiilin lineaarisuus

Transkriptio

1 KJR-C3004 KONE- JA RAKENNUSTEKNIIKAN LABORATORIOTYÖT Hiilikuituisen kajakkimelan varren jännitysprofiilin lineaarisuus (ilman kuvia) RYHMÄ N KALLE KEKÄLÄINEN LAURI LINNONMAA TUOMO VILSKA

2 SISÄLLYSLUETTELO 1. Tutkimusongelma ja tutkimuksen tavoitteet s.3 2. Tutkimusmenetelmä s Teoreettinen tausta s Käytännön koejärjestelyt s.4 3. Virhelähteet ja haasteet s.4 4. Aikataulu s.5 5. Turvallisuus s.5 6. Lähteet s.5

3 1. Tutkimusongelma ja tavoitteet Tutkimuksemme kohteena on kajakin liikuttamisessa käytettävä mela, joka koostuu hiilikuituisesta varresta sekä varsien molemmissa päädyissä olevista lavoista. (KUVA MELASTA) Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, minkälaisia jännityksiä melan varsi kokee niin sanotusti normaalin käytön alaisena, sekä onko melan jännitysprofiili lineaarinen. Normaaliksi käytöksi määrittelemme kiihdytyksen pysähtyneestä tilasta muutamiin erisuuruisiin matkanopeuksiin, matkanopeuden ylläpitämisen sekä kajakin pysäyttäminen matkanopeudestaan. Kajakkia meloessa käytetään kaksipäätyistä melaa. Meloessa melan lapaan kohdistuu voima vedestä ja melan varteen kohdistuu kaksi voimaa melojan käsistä niihin pisteisiin, joista meloja pitää melaa kiinni. Mittaamme melan varren venymää varren kummaltakin puolelta kahdesta kohtaa vartta: melojan veden puoleisen käden vierestä sekä melan ja varren yhtymäkohdasta. 2 Tutkimusmenetelmä Tutkimuksessa käytämme Sea Kayaking Finland yhtiön omistamaa Celtic Kinetik hiilikuitumelaa. Melan lapojen välinen kulma säädetään nollaan asteeseen, jotta eri puolilta tehdyt vedot eivät taivuta melaa eri kulmissa. 2.1 Teoreettinen tausta Normaalissa melonnassa melaan kohdistuvien voimien pitäisi aiheuttaa vain elastista deformaatiota, eli muodonmuutosta, josta kappale palautuu vielä ennalleen muuttumattomana. Taulukosta selviää yleisimpien hiilikuitumateriaalien myötölujuus sekä kimmokerroin. Käytämme laskuissamme standardin hiilikuidun kimmokerrointa, joka on noin 70 GPa. Mittauksien avulla määritämme hiilikuituvarressa tapahtuvan venymän ε(v) ja vastakkaisella puolella tapahtuvan puristumisen ε(p). Hooken lain avulla voimme määrittää jännitysprofiilin huippuarvot mittauskohdissa. σ = ε * E Koska voimme olettaa mittauksessa vaikuttavien voimien olevan pieniä suhteessa hiilikuidun kimmokertoimeen, seurannevat venymät hyvällä tarkkuudella Hooken lakia.

4 2.2 Käytännön koejärjestelyt Ennen mittauksia kiinnitetään venymäliuskat melan varteen siten, että ne pystyvät mittaamaan suurimman venymän ja puristuman. Käytännössä tämä tarkoittaa liuskojen kiinnittämistä melan varteen etupuolelle ja takapuolelle, havainnollistus kuvassa 2 (KUVA 2: VENYMÄLIUSKOJEN KIINNITYS). Ensimmäistä mittausta varten kiinnitämme venymäliuskat melan varteen hiukan vedon puoleisesta kädestä lapaa kohti. Varsinainen mittaus toteutetaan hyvällä ja tyynehköllä säällä Laajalahdessa, tarkemmin Otarannan edustalla. Ennen mittausta suoritetaan mittauslaitteiston kokoon paneminen kuivalla maalla, kuitenkin niin että venymäliuskat yhdistetään mittauslaitteistoon sähköjohdoin vasta juuri ennen mittauksen alkua. Kokenut melontaopas suorittaa useamman minuutin kestävän lenkin tasaisella nopeudella ja hänellä on kajakissa mukanaan tarvittava mittausvälineistö sekä kannettava tietokone. Lenkin jälkeen meloja palaa takaisin rantaan, jossa venymäliuskat ja mittauslaitteisto kytketään toisistaan irti, kajakki vedetään rantaan ja laitteisto puretaan. Seuraavaa mittausta varten siirrämme venymäliuskat suunnitelmassa mainittuun melan varren toiseen mittauskohtaan. Riippuen venymäliuskojen paikan vaihtamiseen vaadittavasta ajasta, suoritamme toisen mittauksen mielellään saman viikon aikana kuin ensimmäinen mittaus. Mikäli ensimmäisessä mittausprosessissa ei ole havaittu ongelmia, suoritetaan toinen mittaus samalla kaavalla, kuin ensimmäinenkin. Vastaavalla tavalla mittausdata tallennetaan kajakin kyydissä kulkevalle kannettavalle tietokoneelle. 3. Virhelähteet, haasteet Koska realistista koetta ei voi tehdä kontrolloiduissa olosuhteissa, virhelähteitä on useita ja niiden vaikutus on oleellinen. Tulosten on kuitenkin tarkoitus olla suuntaa antavia, sillä melaan voi meloessa kohdistua myös paljon arvaamattomia voimia. Tuloksiin vaikuttaa muun muassa ilman lämpötila, veden virtaus, ilman virtaus, melojan tyylin puhtaus ja melojan lihaksista saatavan voiman suuruus. Haluamme mahdollisimman hyvän keskiarvon tavallisen melonnan aiheuttamista venymistä, jolloin suurimmaksi haasteeksi muodostuu juuri melontatyylin pitäminen mahdollisimman samana. Jos meloja joutuu esimerkiksi ottamaan vedestä tukea kaatumisen estämiseksi, melaan aiheutuu huomattavasti suurempi voima kuin tavallisessa tilanteessa. Tällainen selkeä poikkeama on kuitenkin kohtuullisella vaivalla poistettavissa mittaustuloksista ja itse mittausanalyysistä.

5 4. Aikataulu Työskentely aloitetaan heti, kun viimeinen versio koesuunnitelmasta on valmistunut. Mittauspäivämäärän valintaan tulee vahvasti vaikuttamaan vallitseva sää, joka voi siirtää mittauksien tekoa jopa viikolla. Viikko 44: Labview ohjelman rakentaminen ja mittausten suorittaminen Viikko 45: Mittaustulosten analysointi ja raportin kirjoittamisen aloittaminen Viikko 46: Raportin kirjoittaminen jatkuu Viikko 47: Raportin viimeistely ja palauttaminen Suurimman uhan aikataulun toteutumiselle antaa varsinaisten mittausten suoritusajankohdat, jotka ovat vahvasti sidottuna vallitsevaan säähän. Pahimmillaan siis pitkäjaksoinen huono sää voi viivyttää aikatauluamme jopa viikolla. 5. Turvallisuus Turvallisuusaspekti on otettava kahdesta näkökulmasta huomioon. Kokeen on oltava turvallinen itse melojalle, ja toisaalta myös laitteille. Melojan turvallisuus otetaan huomioon samalla tavalla kuin millä tahansa melontaretkellä. Kokeen tekevän melojan lisäksi vesillä on toinen meloja, jotta kokeen tekijä voitaan hätätilanteessa pelastaa. Molemmilla melojilla on standardit täyttävät kelluntaliivit, kuivapuvut sekä aukkopeitteet. Melojat ovat molemmat British Canoe Unionin sertifioimia oppaita. Välineistöllä on kokeessa suurin riski, sillä erityisesti suolainen merivesi voi aiheuttaa elektroniikkalaitteistolle ongelmia. Vedestä aiheutuvien riskien minimoimiseksi tietokone sekä tiedonkeruulaite suljetaan ensin vedenpitävään säkkiin, ja johdot pujotetaan tästä ulos mahdollisimman tiiviisti. Johtojen aukko tiivistetään vielä esimerkiksi teippaamalla lateksisiivuja aukon alueelle. Säkki laitetaan lisäksi vedenpitävään lastiruumaan. Käytettävälle kajakille tehdään myös vesikoe täyttämällä käytettävä ruuma täysin vedellä, jotta huomataan mahdolliset vuodot ja voidaan vaihtaa kajakkia. 6. Lähteet Taras 2013, Santaoja: Rasitusopin käsikirja lujuusopin lukijoille