что значит делать бочку
Пилотажный ДПЛА. Как правильно сделать бочку
Что общего у истребителя с тарой для хранения жидкости и машиной Голдберга? Казалось бы только то, что самолет и бочка могут оказаться частями бесполезного, но завораживающего механизма, ан нет. Фигура пилотажа бочка объединяет все эти вещи и не только.
Выполнение бочки никак не помогает гражданскому самолету довезти своих пассажиров до места назначения или истребителю в бою, но требует, при правильном выполнении, задействовать все органы управления самолетом: элероны, руль высоты и руль направления.
В данной публикации изложено описание процесса поворота самолета на 360 градусов вокруг продольной оси без снижения с точки зрения такой науки, как динамика полета, и приведено описание того, как можно заставить ваш самолет сделать бочку правильно.
Введение
После завершения активной фазы очередного проекта у меня с коллегой по беспилотной деятельности возник вопрос, чем заняться пока новые проекты не заняли все свободное время. В ответ на вопрос, заданный пустоте, мы получили очень конкретный ответ «сделай бочку (do a barrel roll)». И правда: бочка это машина Голдберга в авиации, одновременно сложная, практически (в воздушном бою) бесполезная и приносящая исключительно эстетическое удовольствие фигура пилотажа. Так почему бы не научить авиамодель делать бочку в автоматическом режиме, даже Google её делает.
Прежде чем начать практическую реализацию мы решили изучить это процесс с привлечением компьютерных моделей, и вот что из этого получилось.
Немного теории
Для начала немного о том, почему самолеты летают и о том, как положение самолета описывается относительно поля тяготения. Самолет держит в воздухе подъемная сила, назовем ее Y, которая создается на крыле, но вот какая штука, эта сила появляется только при обдуве крыла набегающим потоком воздуха, соответственно, нужно самолет разогнать. Можно, конечно «разбежавшись прыгнуть со скалы», потратить часть потенциальной энергии поля тяготения земли на разгон и даже зависнуть на мгновенье, но неразрывно с подъемной силой возникает аэродинамическое сопротивление, назовем эту силу X, которое будет самолет тормозить, и подъемная сила будет падать, а вместе с ней и мы. Падать мы будем под действием силы тяжести G. Для противодействия силе сопротивления у всех нормальных самолетов есть двигатель, он создает силу тяги P, которую можно использовать для преодоления силы сопротивления. Простейшая кинематическая модель самолета описывает его движение как перемещение материальной точки в поле тяготения земли. В горизонтальном полете с постоянной скоростью сила тяжести уравновешена подъемной силой крыла Y = G, а сила сопротивления — тягой двигателя X = P.
Если посмотреть на материальную точку под микроскопом, она превратится в материальное тело. Оно и к лучшему: мы можем разглядеть у самолета фюзеляж, крыло, хвостовое оперение, которое состоит из горизонтального стабилизатора и вертикального киля. На левой и правой консолях крыла расположены элероны, на горизонтальном хвостовом оперении — руль высоты, на вертикальном — руль направления. Если всем этим усиленно вертеть, аппарат начнет маневрировать, и задача сделать бочку сведется к тому, по какому закону изменять положение органов управления для достижения необходимой траектории движения аппарата в пространстве и относительно его собственных осей.
В российской/советской традиции система координат (СК), жестко связанная с летательным аппаратом, вводится следующим образом. Ось х направляется продольно в плоскости симметрии самолета, от хвоста к носу. Перпендикулярно этой оси по направлению вверх вводится ось y. Эти две оси дополняются до правой тройки векторов осью z. Получается, что ось z пройдёт вдоль правого крыла.
Движение аппарата в пространстве невозможно описать только при помощи связанной с самолетом системой координат, ведь нам интересно положение аппарата относительно земли. Для этого вводится система координат, которая называется «местная земная система координат». Ось X этой системы находится в горизонтальной плоскости и направлена на географический север. Oсь Y направлена вертикально вверх. Ось Z дополняет их до правой тройки векторов. Расположение связанной системы координат относительно местной земной системы определяется углами крена, тангажа и рыскания. Угол между продольной осью самолета (в нашем случае ось x связанной СК) и горизонтальной плоскостью XZ называется углом тангажа, он изменяется при отклонении руля высоты. Угол между осью z связанной СК и осью Z местной земной СК, повёрнутой так, что угол рыскания равен нулю, называется углом крена, он изменяется при отклонении элеронов. Угол между осью X местной земной СК и проекцией оси x связанной СК на горизонтальную плоскость XZ называется углом рыскания, отсчитывается против часовой стрелки от оси X местной земной СК. Такой формализации нам должно быть достаточно для описания движения самолета при выполнении бочки, и пусть, мы не воспользуемся далее буквенными обозначениями осей, всегда полезно повторить основы.
Инструментарий
Для моделирования движения аппарата мы используем инструментарий, который предоставляет программа для моделирования динамики летательных аппаратов с открытым исходным кодом JSBSim. Вывод графиков доверим gnuplot, а визуализацию маневров самолета FlightGear. В качестве базовой динамической модели возьмем истребитель North American P-51 Mustang: его маневренности будет достаточно для выполнения бочки. Для визуализации будем использовать менее агрессивный, спортивный самолет ЯК-53.
Все файлы, необходимые для запуска скриптов, находятся в Github репозитории. Для повторения действий, приведенных в статье, нам понадобится установить JSBSim, FlightGear и gnuplot. Все действия буду приведены для операционной системы Windows. За основу взята инструкция отсюда. Скачиваем и устанавливаем последнюю версию FlightGear с www.flightgear.org и gnuplot с www.gnuplot.info. Собираем JSBSim по инструкции. После этого ищем два необходимых нам каталога. Корневые каталоги JSBSim\ и FlightGear\. В каталоге FlightGear\data\Aircraft находятся папки с моделями самолетов: туда нужно скопировать модель, которая будет использоваться для визуализации. Я использую модель Як-53, которую нашел на просторах Интернета. Другие модели можно найти здесь. В каталоге FlightGear\bin находится основной исполняемый файл симулятора fgfs. Для визуализации динамики будем использовать строку запуска
В этой строке первые параметры указывают внешний источник данных о динамике самолета при запуске симулятора. Параметр aircraft задает требуемую модель аппарата. Остальные параметры не обязательны, их значения можно найти здесь. Полезные сочетания клавиш:
«V»-изменить вид модели
Shift+Esc – перезапуск FlightGear с сохранением параметров командной строки
Ctrl+«R» — запуск записи полета для повторения того, что получилось.
Вот собственно и все, что нам понадобится в симуляторе FlightGear. Вернемся к программе моделирования динамики JSBSim. В каталоге JSBSim\aircraft находятся динамические модели самолетов. В каталоге JSBSim\engine находятся динамические модели двигателей и винтов. Динамические модели самолетов хранятся в отдельных каталогах в файлах вида name*.xml. В конце каждого файла есть секция, отвечающая за вид выходных данных при моделировании. Если мы хотим, чтобы вывод был в виде, подходящем для визуализации во FlightGear, то она должна выглядеть так:
Если же мы хотим сохранять данные в файл, то так:
Запускать процесс моделирования удобно при помощи пакетного файла, расположенного в корневой папке JSBSim\, строкой
Данный файл удаляет предыдущие результаты моделирования, запускает скрипт, расположенный по адресу \JSBSim\aircraft\p51d\scripts\, а затем запускает отрисовку полученных данных при помощи gnuplot. Параметр realtime необходимо указывать в случае, когда данные из JSBSim хочется получать в режиме реального времени, например, при визуализации во FlightGear.
Посмотрим на содержание файла скрипта:
Для правильного запуска в третьей строке указывается модель самолета, который будет смоделирован, и путь к инициализационному файлу с содержанием
Осталось только рассмотреть содержание файла для построения графиков через gnuplot:
Данный файл формирует и выводит изображение на экран трех графиков: угла крена, тангажа и высоты от времени. Данные для построения берутся из файла *имя_скрипта.csv. Попутно, имперские единицы переводятся в привычные нам, метрические. Можно изменить файл для вывода в форматах PostScript, PNG или PDF, раскомментировав соответствующие строки.
Вот, в общем-то, и весь процесс подготовки инструментов для самостоятельного моделирования и отображения движения самолета.
Моделирование и результаты
Если вообразить «сферический», а точнее идеальный самолет, у которого оси связанной системы координат совпадают с главными осями эллипсоида инерции и органы управления создают моменты каждый относительно только одной из осей, можно на качественном уровне понять, как аппарат будет двигаться при отклонении органов управления. Допустим, самолет летит в горизонтальном полете; отклоняя элероны в противоположные стороны, мы изменяем величину подъемной силы на консолях крыла, что приводит к возникновению момента сил относительно оси x, и аппарат начнет вращаться вокруг этой оси. Для выполнения бочки это как раз, то что нам нужно. Составляем скрипт, в котором элероны максимально отклонены в течение 2.45 секунд, а затем возвращаются в исходное положение:
Результаты моделирования приведены на графике:
Видно, что самолет повернулся на 360 градусов по крену, однако, сделал этот маневр со снижением в 40 метров и наклонил нос на 14 градусов — это пример совсем не годной бочки.
И правда, если вспомнить, что самолет издалека это материальная точка, то при вращении проекция подъемной силы на направление силы тяжести уменьшается и самолет начинает снижение, а нам этого совсем не нужно, ведь мы хотим выполнить красивую бочку без снижения. Для этого, до того, как мы начали отклонять элероны, нужно создать запас вертикальной скорости. Берем штурвал на себя — отклоняется руль высоты — возникает момент силы относительно оси z. Нос самолета поднимается, и мы начинаем набирать высоту — в этот момент пора начинать вращение. Добавляем в скрипт отклонение руля высоты на 40 процентов за 0.4 секунды до начала отклонения элеронов и возвращаем его в нейтральное положение. За 0.2 секунды до окончания вращения берем штурвал полностью на себя, чтобы устранить опускание носа самолета:
Смотрим, что получилось:
Вот она — вполне приличная, быстрая бочка. Если бы мы вернули руль высоты в нейтральное положение немного позже, аппарат набрал бы небольшую высоту и после отклонения элеронов пошел бы в разворот. Комбинация «штурвал на себя» и «отклонение элеронов» приводит к тому, что подъемная сила крыла при наклоне аппарата начинает действовать по нормали к текущей траектории аппарата и искривляет её тем сильнее, чем более отклонен руль высоты. Можете попробовать сами и убедиться в этом.
Предыдущая бочка была выполнена без снижения, угол тангажа на выходе из бочки не сильно отличался от исходного. Однако, высота в процессе выполнения изменялась на 12 метров. Попробуем более активно применить органы управления, чтобы минимизировать заброс по высоте в процессе выполнения фигуры. Чтобы не вертеть органами управления самолетом абы как, заглянем в Википедию и посмотрим, как нам рекомендуют делать бочку. Основная мысль выполнения идеальной бочки состоит в том, что нужно сохранить продольную ось самолета в горизонтальной плоскости. Для этого попеременно используются руль высоты и руль направления. В начале бочки, как обычно, мы используем руль высоты, чтобы набрать вертикальную скорость. Отклоняем элероны – начинаем вращение. Когда самолет поворачивается вокруг продольной оси руль высоты и руль направления меняются местами. По достижению величины угла крена около 90 градусов отклонение руля направления приведет к поднятию или опусканию носа самолета в вертикальной плоскости. В связи с этим, отклоняем руль направления так, чтобы предотвратить опускание носа. Далее, когда угол крена достигает 180 градусов, нужно отклонить руль направления от себя чтобы в перевернутом полете удержать нос самолета в горизонтальной плоскости. При дальнейшем повороте повторяем отклонения руля направления с противоположным знаком при угле крена вблизи – 90 градусов и завершаем бочку небольшим отклонением руля высоты «на себя». Все эти этапы выражены в скрипте, приведенном ниже:
Запускаем и смотрим, что получилось:
По крену аппарат повернулся на 180 градусов, при этом общий размах изменения высоты составил около 2.5 м — это в пять раз меньше, чем в предыдущем случае. Можно сказать, у нас получилась почти идеальная бочка.
Как делают дубовые бочки
Бондарное ремесло возникло в Древней Греции, но история самой бочки началась существенно раньше. Правда, в те незапамятные времена их просто выдалбливали из стволов крупных деревьев и поэтому размер бочек непосредственно зависел от размера дерева. Однако прошло время и люди научились делать бочки, стягивая отдельные дощечки при помощи обручей. Горизонты, что называется, расширились, и появилась возможность делать деревянные емкости заданного диаметра. Слышали что-нибудь про дошник? Это такая огромная бочка, которая зарывается в землю и предназначена для закваски солений. Дык вот стандартный дошник вмещает целых 16 тонн квашеной капусты!
Ну, а мы отправляемся в цех.
Впрочем, давайте лучше пройдем все стадии производства бочки поэтапно. От заготовки до готового изделия. Для винных и коньячных бочек используют, как я уже писал выше, дуб. Иногда даже южный дуб скалистой породы, который завозят из Абхазии и Краснодарского края. Для изготовления медовых бочонков используют, соответственно, липу. Лес, уложенный в штабеля, отлеживается не менее одного года. Очень важно, чтобы дуб был спилен зимой, в период когда у него не происходит сокодвижение. Тогда древесина будет более плотной.
Движемся дальше. А дальше из отлежавшейся древесины с помощью деревообрабатывающих станков делают клёпки. Или «клепочки», как ласково называет их Александр. Это те самые дощечки, из которых и состоит остов любой бочки. Они имеют довольно сложную форму: в середине клепка тоньше и шире, чем у торцов. Утоньшение в середине облегчает гнутье клепок при сборке остова бочки.
Впрочем и география поставок россошанских бочек это подтверждает. Это Казахстан, Татарстан, Абхазия, Москва, Питер, Ростов-на-Дону, Саратов и так далее. Недавно пришел заказ из Комсомольска-на-Амуре.
Но вернемся к технологическому процессу. Поскольку клёпки нужно дополнительно как следует просушить, делают их сразу с запасом и укладывают в пирамидки.
Следующим этапом собирают остов. Для этой цели используют так называемые рабочие обручи. От постоянных они отличаются тем, что сделаны из чермета и соединены сваркой, а не заклепками.
К сожалению, увидеть воочию этот процесс мне не удалось, но приблизительно это происходит следующим образом: обруч прикрепляют струбцинками к трем клепкам, расставленных с определенным интервалом. Затем между ними по порядку вставляют промежуточные клепки, как можно плотнее прижимая их друг к другу. Затем снимают зажимы и головной обруч осаживают книзу, одновременно нагоняя на остов торцевые и срединные обручи.
Для того, чтобы максимально плотно прижать клёпки друг к другу, внутри пока еще бездонной бочки разводят самый настоящий костёр.
Для стягивания используют металлический трос, которым с помощью ворота постепенно увеличивают усилие на торцы бочки. Бочка на костре гнется минимум полчаса, после чего «стоит» на костре еще минут двадцать. Более интенсивный обжиг древесины применяется для бочек, предназначенных для выдержки красных вин, средний обжиг подойдет для коньячных бочек, а слабый, соответственно, для тех, в которые нальют белые вина. Паяльную лампу, как заверил меня Александр, не используют никогда.
Далее в торцах бочки нарезается так называемый уторный паз и вставляются донья, которые так же делают из клепок-дощечек, плотно подогнанных и прифугованных друг к другу. После этого бочка шлифуется. Только снаружи, внутри всё остается так как получилось после обжига. Проиллюстрировать этот этап у меня, увы, не чем, поэтому мы переходим к следующему. Это установка постоянных обручей.
Они делаются из оцинкованной стали толщиной 2 мм и стягиваются с помощью стальных заклепок. Отмечу, что для больших промышленных бочек, предназначенных, например, для винзаводов, отверстия для заклепок не сверлят, а пробивают вручную. В чем разница? В том, что у просверленного отверстия получаются острые кромки и гигантским давлением внутри большой бочки заклёпки может просто срезать. Обручи так же изготавливают с запасом по всем основным типоразмерам.
Следующим этапом в донце бочки вставляют деревянный или латунный кран. Безусловно, именно эта деталь и место её крепления является самым слабым на протечку местом бочки. Всем клиентам-виноделам Александр рекомендует просто вбивать деревянный чоп, а вкручивать и использовать краник уже на этапе употребления напитка. В бочках объемом более 100 литров отверстие под кран вообще не сверлят, используя для забора напитка трубочку.
Ну и, наконец, переходим к «финишной отделке». К бочкам могут предложить подставку, оплетку веревкой и, по желанию клиента, лазерную гравировку. Про стопочки уже писал выше.
Кроме того, на специальном станке могут изготовить даже небольшую деталь с самым сложным контуром. Например, фигурные буквы или орнамент.
По технологии изготовления дубовых бочек показал/рассказал всё что узнал сам, но поведаю еще несколько подробностей о самой компании и других видах выпускаемой продукции. В «Велесе» трудится порядка 20 человек работников и по плану каждый из них за один рабочий день делает одну бочку.
Бочонки для мёда изготавливают тоже из клёпок, но обручи на них при этом носят исключительно декоративную функцию. Грубо говоря, это просто молдинги. Дело в том, что медовые бочонки клеят. Их не обжигают, а вощат внутри натуральным пчелиным воском. Сверху делают съёмную крышечку с ручкой, под которую вкладывают специальную веревочку, с помощью которой края крышки как бы пломбируются, но оставляют петельку, за которую веревочку можно будет потянуть. В противном случае крышку со временем так притянет к остову бочки, что просто за ручку вы её не откроете.
Помимо бочек, как я уже говорил выше, компания производит еще целый спектр бондарных изделий, но особо меня порадовало, что помимо бочарного ремесла, ребята освоили и выпуск эдакой нарочито грубой деревянной мебели. Это сейчас модно, другое дело, что зачастую подобные детали интерьера (типа фальш-балок), которые можно найти в свободной продаже, сделаны из пластика и лишь имитируют дерево. Здесь же всё по-настоящему. Большую лавку или стол придется двигать вдвоем. На столе Александра я подсмотрел вот такой дизайн-проект.
. А в цехе уже некоторые его элементы.
Увидев мою заинтересованность подобной продукцией, Александр предложил прокатиться до соседней улицы, чтобы показать уже готовый интерьер, в постройке которого он и его ребята принимали самое непосредственное участие. Фотографировать вечером субботы в пивом баре я не решился, но фасад щелкнул. По-моему, очень здорово. Особенно на фоне других провинциальных заведений и магазинов, отделанных сайдингом и с безвкусными вывесками.
Сделай бочку!
Почти никто из начинающих продюсеров не избегает соблазна поставить себе дюжину библиотек сэмплов из текущего хит-парада журнала Computer music, а уж мысли вроде «вот сейчас солью себе 20 гигов рефиллов для Ризона – и сразу нарулю мегахит!» мелькали, наверное, у каждого новичка.
Конечно, нет ничего плохого в том, чтобы использовать для написания своих нетленок готовые пресеты и сэмплы – в конце концов, именно для этого они и продаются (мы же все их честно покупаем, да?;).
Однако не стоит забывать, что можно создавать красивые, интересные, а главное – абсолютно уникальные звуки самостоятельно, используя простейшие средства и немного фантазии.
Саунддизайн – занятие не только крайне увлекательное, но и полезное во всех отношениях: вспомните Бенни Бенасси, который много лет был обычным диджеем средней руки, известным разве что в пределах родного Милана, однако стоило ему нарулить свой знаменитый мегазвучище, как он тут же превратился в суперзвезду мирового масштаба.
Запустите воспроизведение MIDI-клипа и прослушайте полученный результат. Пока что мало напоминает бочку? Немного терпения, уважаемый читатель.
Поэкспериментируйте немного с показателями Attack и Decay – они оказывают поистине драматический эффект на характер звучания.
И, наконец, последнее по порядку, но не по значению – показатели Slope (чтобы увидеть значения Slope щелкните по любому ромбику на огибающей).
Нас интересуют Slope A и Slope D. Лично я остановился на значениях +36 и +91 соответственно, но это уже зависит от персональных предпочтений и от стилистики будущего трека.
Изменения, которые вносит генератор С при таких уровнях выходного сигнала, могут быть едва различимы для нетренированного слуха даже на хорошей акустике. Но это именно та разница, о которой французы говорят «Бог в мелочах». Кстати, у этой пословицы есть вторая половина – «…, а дьявол – в крайностях», и об этом тоже стоит помнить.
Определить, слышите ли Вы на самом деле вносимые изменения, очень просто. Запустите воспроизведение клипа, наведите курсор на кнопку включения генератора, закройте глаза и пощелкайте левой кнопкой мыши, читая при этом про себя, например «Мой дядя самых честных правил…».
Когда дойдете до сцены дуэли, то…
Нет. Так далеко в своем рвении заходить не надо – лично мне достаточно прочитать пару строк, чтобы гарантированно сбиться с непроизвольного подсчета кликов мыши.
Перестаньте щелкать, и вслушайтесь в воспроизводимый звук. Щелкните мышью еще раз и снова внимательно вслушайтесь. Теперь определите, в нажатом или отжатом состоянии находится кнопка включения генератора? Все, можете открывать глаза. Угадали?
Повторите этот опыт несколько раз, если процент попаданий близок к 100 – мои поздравления. Если нет – чуть-чуть увеличьте параметр Level и не расстраивайтесь: слух тренируется, как и практически любая другая функция организма.
Послушайте полученный результат. В принципе, мы уже получили вполне себе хорошую, годную бочку, но все-таки звучит она несколько суховато. Надо ей придать немного благородных «ламповых» искажений. Если у Вас установлены плагины вроде PSP Mix Saturator или Antares Tube – можете использовать их, если нет – то отлично подойдет Dynamic Tube из стандартного пакета Ableton Live. Но перед тем, как загружать сатуратор, будет нелишним поставить в конец цепи лимитер – это поможет нам избежать клиппирования сигнала.
Устанавливаем параметры Dynamic Tube приблизительно соответствующими следующей картинке, но, разумеемся, руководствуемся при этом собственным вкусом и ушами.
Ну, вот и все. Осталось лишь, так сказать, зафиксировать прибыль — отсэмплировать полученный результат. В Ableton Live это можно сделать чуть менее, чем 9000 способами, самым простым из которых является следующий: щелкните правой кнопкой мыши по нашему MIDI-клипу и выберите Freeze; затем зажмите Ctrl, перетащите клип на аудиодорожку и … вуаля!
Вот она, наша новенькая, абсолютно уникальная, румяная, с пылу с жару, бочечка!
Приятного аппетита!
При подготовке данной статьи был использован материал из курса Ника Максвелла.