如何量化武术罢工？

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副标题： 啊，我对原力很坚强，但是我怎么衡量呢？

为了对尤达（Yoda）进行释义，我谨此致歉，我正在尝试评估一种力量。幸运的是，它比中毒药师更容易测量。

当我用空手道教别人时，我强调的一件事是着重于基本打击的技巧。经验表明，适当的技术可以在任何打击后产生更多的力量。我遇到的问题是，即使学生声称他们可以“感觉”到罢工的力量变得更大，但他们仍会回到错误的技巧上，因为他们没有说服自己差异确实存在。

我想设计一个可以测量罢工背后的力量的系统。特别是，我需要在可以使用的撞击点识别一些传感器。《国家地理》所做的事情非常相似，但是他们使用的设备（例如碰撞测试假人）价格昂贵。同样，我不需要该设备提供的分辨率或准确性。是否有人打100或101磅_˚F的力量是无形的。我想演示何时从100升至200。

我可以使用什么传感器或系统来测量各种空手道打击所产生的冲击力？理想情况下，我可以将设备安装在聚焦手套或类似的手套中，并且能够将打击垫安装到可调系统上，从而可以测量各种撞击。

我的主要设计约束是：

更低的花费
可重复的测量
范围0–2,000 lb _f

我并不是要寻找一个完整的系统设计，其中应该包括所有监视电子设备。我只是尝试着眼于可以提供某种可测量输出（例如电压）的传感器。

另外请注意，我计划在设备上布线，因此我已经有一种简单的方法可以为系统供电。我可能会在某个时候使用无线技术，但是那时候我会使用电池，并且我希望这个问题始终专注于传感器本身。

sensors measurements biomechanics

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因此，您要测量力而不是能量或功率？

— HDE 226868 2015年

@ HDE226868从罢工中我通常看到的是武力，所以我认为这也是我的学生们也希望看到的。就是说，如果您正在考虑一个可以测量相关维度的系统，那么这是一个不错的答案。只要我能使用正确的打击技巧向学生展示可衡量的进步，它就会起作用。

@InstructedA-认为您可能有兴趣看到以下问题：engineering.stackexchange.com/q/1788/16 我欢迎您回答。

我认为武力不是罢工的好方法。能源或功率将是更好的指标。简单地将影响作为力量来衡量的问题是您忽略了时间。两个非弹性物体（例如两个弹子）之间的能量冲击相对较低，可以产生很高的峰值力，但是该力的持续时间非常短。缓冲体之间的较高能量冲击可以具有低得多的峰值力，因为冲击能量会耗散更长的时间。

— DLS3141 2015年

@ DLS3141- 然后

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您可以打一个钟摆并测量其摆动的角度。我发现装满水并用绳子悬挂的三升苏打水瓶很容易命中。知道了瓶子的重量后，稍加拨动就会产生能量，从中可以获取力量。

编辑：如果能量从拳头到目标的传递发生的时间足够短，则瓶子向前的加速度将近似为通过弧形底部的向心加速度。挥杆顶部的势能等于底部的动能。

F = m a \to with substitutions \to F = \frac{m (2 (\frac{m g h}{m}))}{r} = \frac{2 m g h}{r} = 2 m g (1 - \cos (θ))

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

a = v^{2} / r

$a=v^2/r$

$a$ =向心加速度

$v$ =沿弧线的速度

$r$ =半径（绳长）

P E = m g h

$PE=mgh$

$PE$ =势能

$m$ =质量

$g$ =由重力引起的加速度（大约9.80665 m / s ²或32.1740 ft / s ²）

$h$ =高度

K E = 0.5 m v^{2} or v^{2} = 2 K E / m

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

$KE$ =动能

$m$ =质量

$v$ =沿弧线的速度

h = r - r (\cos (θ))

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

$h$ =高度 =绳索长度 =绳索与垂直方向的最大角度 $r$ $\theta$

— 杰夫
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为简单起见，+ 1。我同意HDE，但您应该添加数学以使其更完整。

— 克里斯·穆勒

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不确定将秋千转换为力数是否有意义。摆动较大时，摆动会更大（Yoda）。如果您正在与孩子（甚至是高年级的学生）交谈，那是他们所需要知道的全部（不要认为高级物理课程会帮助karatee学生）。

— 马丁·约克

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希望击中的瓶子不会破那么重。

— 圣保罗Ebermann

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我认为冲击力传感器就是您想要的。我不确定链接的传感器有多昂贵，因此您也可以使用加速度传感器并做一些数学运算。第二种选择可能不太准确，但我怀疑它也会便宜得多！

我知道您说过您不想要完整的系统设计，但我想我会在第二个链接中多花些功夫。;）

— 奥列克·沃纳（Olek Wojnar）
source

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我认为您想要的是压电压力传感器。您也许可以从旧的浴室磅秤上偷东西，但是磅秤上的传感器最高只能承受约100磅的力。这些压电换能器将施加的压力转换为两条导线之间的小电压。通过测量传感器的表面积，可以将该压力转换为力。

为了读出来，您将需要构建一个放大级，可能包括一个低噪声前置放大器级和一个更强大的放大级。第二部分是保持最大值的电路，因为您可能最感兴趣的是施加的最大力。您可能可以使用Arduino完成第二阶段的放大和任何数据处理。

您需要小心如何将压电换能器安装到聚焦手套上。您想要使人们能够进行打孔而又不会将过多的压力传递到传感器上。构建好之后，您可以通过在其上面放置已知的砝码来进行校准。

— 克里斯·穆勒
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修改后的电子秤（也许是厨房而不是浴室）正是我在想的！

— AndyT

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任何压电式都难以抵抗冲击力。压电晶体是-晶体。

— SF。

@SF的好点。

— 克里斯·穆勒

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@SF那么您如何解释在冲击测试中使用peizo传感器？我和许多其他人将PE加速度计，力传感器等用于冲击测试，跌落测试和其他冲击测试，并且已经使用了很多年。压电晶体是石英晶体，更类似于岩石，而不是玻璃。

— DLS3141

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我将通过在其他人的答案中打洞，以解释他们为什么不理想，然后通过我自己的答案提供一个不完整，思想欠佳的问题，来提供一个不太有用的答案。

这里的大多数答案都受到以下三个绊脚石之一的困扰：

他们需要不必要的大夹具，而复杂又使其变得不可取（摆锤，我在这里看着你）
他们的意思是无视牛顿反作用力定律。
对于即将完成的任务，解决方案非常复杂。

好的，所以从摆锤开始，首先是一个非常新颖的解决方案，从理论上讲是一个很好的解决方案，但是这里有两个问题：如何安装摆锤？指导老师是否将琴弦的末端高高地抬起头，希望他们不会受到打击？还是使用操场上可能会出现的类似秋千的A型架？如果是这样，您不妨去操场上，站在秋千上，让他们打你/垫子，这是一个免费的解决方案。如果您想要更多技术性的东西，并且确实弄清楚了如何悬挂摆锤，如何确保摆锤在您测量高度的飞机上正确地撞到摆锤而又不浪费一桶能量来旋转牛奶盒？如果您小时候使用过轮胎秋千，您会知道，在您选择的平面内旋转轮胎而不旋转，是很棘手的。纸箱的质量越轻，您只会看到更多的瞬时力，这可能就是您想要的，我不会打架，所以我不知道，但是我知道最重的打击将得到支持一堆精力，不是一时冲动的强烈冲动。两次打击之间的标准化也将是一个挑战，因为与纸箱的接触时间将极大影响纸箱上升到的高度（能量=力x距离）。

您手中的任何东西都将要求您不要动。除非你是超人，否则你将要移动一点，尤其是随着学生的进步，因此，所提供的力量将逐渐减弱，因为你对打击的抵抗力减小了，这意味着你的学生将会看到进步的回报丰厚。他们的技术。不太理想。唯一的解决方法是将其安装到刚性物体上并让其撞击。如果可以的话，我建议您使用隔离墙或类似的墙。

导电泡沫？这变得有多复杂？这是一个很好的理论解决方案，但我无法想象这是最简单的安装。

因此，解决方案-任何解决方案都必须满足三个条件：必须便宜且欢快，必须具有可重复的结果，并且必须以某种方式进行校准。

在@ToyB解决方案的一个变体的基础上，板簧是这里最简单的修复方法，它安装在板上，像墙一样。弹簧的每一端都应有一个切有螺栓的槽，以将弹簧连接到板上，同时允许弹簧挠曲。将应变仪连接到背面，然后将其连接到简单的电压表。您可以花10 美元购买所有必要的组件。

通过在弹簧上放置一系列砝码进行校准（只需将弹簧放在其板上，放在桌子上即可）并测量电压。要增加复杂性并改善解决方案，请将简单的电压表换为简单的数据记录器，并记录弹簧击中时得到的电压曲线，然后使用Excel或类似工具以及具有电压-力关系的查找表为您的学生提供完整的点击力曲线。

您甚至可以为一些不同打击的人/打击提供一些弹簧选择，以提高您的准确性。我以为您可以用不到$ 50的价钱实现所有这些目标。

— 无能为力
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摆的想法不是那么原始-看看自1742年首次发布以来就一直存在的弹道摆。关于摆的位置，如果我可以使用一些粗糙的ASCII艺术：V___V两根绳子形成一个倒置的A-两端均为框架，中间为对数/圆柱摆。V形最大程度地减少了横向运动，两端的支撑最大程度地减小了偏航运动。

— Chuck

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导电泡沫在压缩时会改变其电阻，因此，只要您有一个能够快速连续进行多次测量并记住电阻最小的系统，它就可以成为一款价格便宜的优质力传感器。

根据要测量的力，您可以在彼此之上使用多个图层，并且由于可以将其切成任何形状，因此您不仅限于特定传感器的（小）表面。

— Guntram Blohm支持Monica
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泡沫会恢复原状吗？

以我的经验，是的，但是有几种泡沫。它通常用于保护IC，这种类型的硬盘较难，但是在第一次压缩后不会解压缩。但是，其他泡沫非常柔软，它们至少减压了数十次。Instructables有一个构建传感器的项目，他们说还有不同类型的泡沫。也许您应该与制造商/供应商联系，以找出哪种泡沫最能满足您的需求。

— Guntram Blohm

我相信这是电子鼓触发器中使用的方法-记录鼓槌在膜片上的撞击并将其转换为数字信号的设备-MIDI音符/事件。他们使用一种触及鼓皮并测量冲击力的泡沫锥。

— 彼得斯，2015年

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我100％同意Jeff，这样做的好处是您可以以便宜，非常非常稳定的价格建造它。摆动的高度将为您提供能量，公式为其中 $E=mgh$

E =焦耳能量

m =质量（公斤）

g = 9.81m / s ^ 2，

h =以米为单位的高度差

这将是转移到目标的总能量。不幸的是，这种能量并不一定代表打击的破坏性/战斗力，因为缓慢地将其推至该高度将需要相同的能量。

击球后的瞬间，头部的加速也代表着击倒力，这就是造成脑震荡的原因。这可以用一个电路测量，该电路测量通过两个紧密间隔的点所花费的时间，其中第一个应该非常接近摆的初始位置。打击应该经过，以使拳头/脚比这些传感器中的最后一个走得更远。如果这些点相对于摆的弧长间隔非常近，则可以使用其中 $a=2s/t^2$

a =加速度，单位m / s ^ 2

s =传感器之间的距离，以m为单位

t =以秒为单位的时间

您可能有两个目标，可以按重要性排序：

1.）使其尽可能快地加速2.）使其尽可能高

如果您达到目标1，则您可能会造成脑震荡/折断，假设您的目标2足够大，这意味着您还需要继续进行打击！如果您的目标2的目标不佳，您将推开对手而不会造成任何实际伤害。我想我真的不需要在这方面进行扩展，因为您是空手道教练，对您可能已经知道的事情深表歉意，所以最好是精确而完整。小心，这些值在某种意义上将不是“真实的”，因为由于质量通过移动摆的分布，您将拥有一个更复杂的公式来计算真实值。但是，您将获得可以更高或更低的数值，并且可以自己踢一下“校准”它，为学生设置目标。也，

— 戴夫
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甲应变瓜哥附连到目标将是有益的。

与压电不同，它们在抵抗冲击力时非常耐用（在快速施加压力时，压电晶体会破碎）。

它们可以附加到几乎任意的“板”上，而板的产量很少。因此，与摆式类型不同，它们不会通过施加较慢的力来伪造结果，也不会将能量消耗到摆式自身的灵活性中。如果您使用水瓶（如在另一个答案中建议的那样），则在撞击时“搅拌水”会消耗掉大部分能量，只有一部分能量会推动瓶子本身。

而且，通过更改附着在其上的材料，您可以将它们调整到几乎任何力-它们测量材料中的应力，并基于材料的杨氏模量，它们可以适应于感测从牛顿力到桥梁和货运船体上的负载。应变规

如何实际使用它们？您选择某种木板，条形物或其他表面，将其作为命中目标，并在撞击时会有些弯曲，但强度要足以使其不会折断，并牢固地固定在两端。您可以将仪表板粘贴到“安全”侧，即撞击点附近。然后，您可以使用一些简单的微控制器（想到PSoC4，易于编程，并带有板上所需的所有其余硬件）并测量峰值电阻变化。一个简单的程序就足够简单了，该程序可以在给定的时间范围内在某个阈值内拾取峰值电阻，然后通过RS232将其发送到PC。

如何校准？将设备水平放置，在冲击点放一个已知的静态砝码，测量无阻碍的电阻与砝码之间的差。1kg的重量将施加9.806牛顿的力，除非您非常喜欢这种材料，否则杨氏模量的线性近似是非常好的。您的读数将与力成线性比例，因此简单的比例就足以以牛顿为单位进行测量。

— SF。
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本周，我有幸参加了PSoC4 + BLE培训课程。我以前没有使用过PSoC，但看起来它是一个很棒的产品

— Mahendra Gunawardena，2015年

@MahendraGunawardena：尽管PSoC具有许多有趣的优势，但CY8CKIT-049尤其增加了微不足道的价格。

— SF。

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这些是开发系统的一些建议

我建议在汽车行业的通道占用检测系统中使用聚合膀胱类型的方法。该专利描述了汽车应用。膀胱系统将是聚焦手套的一部分，其包括基于MEMS的差压传感器。当压力传感器检测到冲击力时，数据将由简单的微处理器处理，例如Atmel tiny，MSP430或PIC。如果选择了模拟压力传感器，则需要一个模拟前端（AFE）级，但也可以使用I2C或SPI选项。

另一种方法是使用惯性测量单元（IMU），该惯性测量单元提供2至6个自由度（DOF），并与MSP430或PIC等微处理器耦合。这些IMU具有陀螺仪和加速度计。这种方法将提供更多数据，可用于以后的分析。同样，通过I2C或SPI与微处理器进行通信

压力传感器国际货币联盟 PODS

该系统将需要简单的电源系统，例如简单的可充电纽扣电池。USB电源充电系统可能是您的最佳选择。USB充电系统将启用数据下载选项。同样，某些类型的能量收集机制（例如振动）可用于生成为系统供电所需的能量，类似于某些新的健身机（例如跑步机，椭圆机等）。这可能是一种出色的低功率应用。

另一个选择是连接可穿戴设备，例如合适的钻头，它不仅可以提供电源，还可以提供数据存储，检查和分析。Fit bit还可以连接到实时分析和反馈给学生的智能手机。

从焦点手套直接转向智能可能是一个巨大的增值主张。这可以通过许多方式实现。将Cortex ARM M0 micro与片上BLE一起使用可能是目前最好的选择。恩智浦，飞思卡尔和赛普拉斯等许多供应商都提供此选项。更好的是模块中的Cortex ARM M0 / M4 +蓝牙低功耗/蓝牙智能。以下是此类设备的示例。

BLE模块1 BLE模块2 BLE Cortex MO框图

所有这些供应商都提供价格合理的小型开发套件。

最后，要解决学生的挥发性有机化合物问题，在正确和不正确的技术之间提供实时可测量的反馈，将促使学生渴望获得完美。

参考文献：

— 马亨德拉·古纳瓦德纳（Mahendra Gunawardena）
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这是显示影响大小的一种非常便宜且令人愉悦的方式。取两块胶合板板，在一个板和另一块板之间放置一个较大的压缩弹簧，以便将弹簧夹在中间，但至少可以像“ H”板那样将其卸下。将此螺栓固定在墙上。“ H |” 在弹簧内部的上面放置固定大小的playdo（儿童油灰）球（可能放在塑料袋中或类似的东西上，以免弄得一团糟），重新安装第二个板子并用力击打该板子。对播放器的冲击将导致不同的变形，具体取决于其受到的打击程度。

如果使固定在墙上的木板像盒子一样围绕其侧面，则放置5个（比侧面短）压缩弹簧（四个角，中间固定腻子），则可能会拉出一根绳子第二个板，以便轻松进入播放器。

这太简单了吗？这实际上取决于您想要的结果有多科学，以及使用烙铁（而不是6块木头和5个压缩弹簧）时的性能如何

— 玩具B
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量化冲击力的问题是通常是“尖峰”脉冲的持续时间短。通常对浴室秤进行阻尼处理，以提供稳定的静力读数，并且不会捕获瞬态峰值。弹道摆也有问题-其中一些已经讨论过。但是，对于训练年轻的战斗机，我建议您实际上不需要量化力量，而是比较它们随时间的性能，并让他们与其他学生进行比较。为此，您需要做的就是在一个打开的盒子（约30平方厘米）中填充一层厚实的造型粘土，并将盒子固定在墙上。当学生挥拳时，粘土将充当见证材料并发生塑性变形。只需测量抑郁症的最大深度，并将其记录在学生的个人记录中即可。

黏土当然可以重复使用，但您可能必须进行实验才能获得合适的造型黏土：Roma Plastilina是枪支弹道学的首选材料，但对于年轻人来说，橡皮泥或Play-Doh对空手道的痛苦要小一些。

— rdt2
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