2019年6月17日月曜日

弓サイズと引尺を考える その2

弓サイズと引尺を考える その1 に続きUukhaのリムデータをもとにForce Draw Curve を描いてみます。

まず、実際の引き尺とリムの強さのデータをUukhaのホームページ の「Calculate poundage at your draw length」の計算機能を利用して入手しました。

この計算機能は、引き尺20"以上のポンドしか計算できないので、20"から33"の引き尺の範囲で次の2ケースのデータを作成しました。

1. 25"ハンドルの66Bow、68Bowおよび70Bowのデータ
2. Short Limb(25"ハンドルで66Bowのリム)で21"、23" 及び 25”ハンドルでのデータ

いずれもリムの呼びポンドで32#(28" ATA Draw Lengthのリム)のデータとしました。

1. 25"ハンドルの66Bow、68Bowおよび70BowのForce Draw Curve

上のForce Draw Curveには、3本の曲線と3本の直線を描いていますが、見た目には1本のデータのように見えます。

Uukhaの計算機能が示す値は、25"ハンドルで66Bow,68Bow及び70Bowが全く同じ値でありLimb Sizeの違いよるカーブの違いはありません。

違いは、推奨Brace Heightが次の通りとなっていることです。
   66Bow---8.3",  68Bow --- 8.6",  70Bow---8.9"

このBrace Heightの違いが、スタッキングポイトの違いとしてグラフに表れていますが、ほとんど同じといってよいと思います。

このことは、limbの長さの違いによりる引き心地の違いはないと言えますが、弓を引いたときのリムの形はことなりますので、引手の指の弦の当たり方のみlimbのサイズにより違いが生じることになりす。

また、その1で示した典型的なForce Draw Curveとことなり、UukhaのリムはStacking Pointを過ぎても、ポンド上昇率が急激ではなく、Sweet spotが広いリムと言えます。


2. Short Limbで21"、23" 及び 25”ハンドルのForce Draw Curve

上のForce Draw Curveには、3本の曲線と3本の直線を描いています。

28”のATA引き尺において32#のShort Limbですが、ハンドルサイズの違いにより28”の引き尺のポンドが次の通り異なります。

  25"ハンドル----32# 23"ハンドル----33.3# 21"ハンドル---34.1#

ハンドルを短くすいれば、同じリムを使ってもポンドアップが起きることがわかります。

また、Stacking Point の位置が微妙に違いますが、これはやはり推奨Brace Heightの違いによります。
   66Bow---8.3",  64Bow --- 8.1",  62Bow---7.8"

3本の曲線の形状もほとんど同じで、ハンドルの長さの違いによりる引き心地の違いはないと言えますが、ポンドアップが起きるため引いた感じは全く違ったものとなります。

64Bow、62Bowでもリムボルトを緩めてポンドを下げれば、66Bowとほとんど同じForce Draw Curveとなります。

Uukhaのリムは、62Bow~70BowのStacking Pointが引き尺で28"~28.5"にあり、Bow SizeによりStacking Point が移動しないリムと言えます。


3. Brace Height の影響
25”ハンドルの70BowでBrace Height を8.1"から10”に変えた場合の影響を調べてみました。


Brace Heightを8.1"から10"に変更した場合、スタッキングポイントは、引き尺28.5"から29.3"と0.7”程移動します。

また、Brace Heightを下げると矢速は増すが、矢飛びの安定性が落ち、Brace Heightを上げると矢速は減少するが、矢飛びの安定性が増すと言われています。

矢速については、Brace Heightを下げると弓から受けるエネルギー(Force Draw Curveの面積)が増すためで、安定性が落ちるのは、弦と矢の接触時間が長くなり、弦の振動の影響を受ける時間が長くなるためです。(Brace Heightを上げた場合は、逆の現象となります)

2019年6月16日日曜日

弓サイズと引尺を考える その1

「WIN&WINの弓サイズの決め方」に、弓の性能が引き出せる「引き尺」ごとの「ハンドルとリム」の組み合わせが示されています。

また、Uukhaの取説には、次のように推奨されるハンドルとリムの組み合わせが記載されています。(以下引用)

Recommended setup:
AMO draw         bow  riser  limbs
  length
  27''      66''  25''   66''(ショートリム)

  28''      68''  25''   68''(ミディアムリム)

  29''      70''  25''   70''(ロングリム)

  30''      72''  27''   70''(ロングリム)

  31''      74''  27''   72''(エキストラ・ロングリム)
AMO draw length = distance in inches between the nock and the pressure button + 1.75 ''.
72 '' limbs are only available for Vx+ model.

注)
Uukhaは23"のハンドルはありません
riserはハンドルのこと
現在、リムのサイズは25"のハンドルに付けたときのBow Sizeで呼ぶようです。(Win&Winの最新カタログも、66"、68"、70"となっていました)

両社の推奨サイズは微妙に違いますが、なぜ、引き尺(draw length)の短い人には小さい弓サイズ(bow size)が推奨されているのでしょうか。

今回は、そのあたりを考えてみます。

会話で同じ用語でも意味が人により違うことがあります、特に「引き尺」(Draw Length)は違うことがあり、話が成り立たないことがあります。

まず、ここで使用する用語をArchery Trade Association (ATA)(昔はAMOと言っていた)の引用で説明します。

1.用語の説明
1)弓サイズ・弓の長さ(Bow Size or Bow Length)
Bow Designated Length:
The length of the bowstring used to “brace” the bow to its manufacturer’s recommended Brace Height plus three inches.

弓の呼び長:
メーカー推奨のBrace Heightとなるbowstring (弦)の長さプラス3"とする。

注)弓の呼びサイズは2"ごとに呼ぶことが慣習となっていますので、同じ呼びサイズでも、実長は±1"(最大2"以上)の違いがあり得ます。

Brace Height:
The dimension in inches from the grip pivot point (low point) of the grip to the nearest side of the bowstring, measured perpendicular to the bowstring, with the bow strung and in the undrawn condition.

ブレースハイト:
弦を張って引いていない状態で、ピボットポイントの一番低いところから弦に対し垂直に計った長さ。
注)日本では、Brace Heightをストリングハイトと呼ぶことがありますが、String Heightは弓の長さとして使われることもあります。

2)引き尺(Draw Length)
ATA Actual Draw Length:
The distance from the bowstring at the nocking point location, while at the bow’s full-drawn condition, measured to a vertical line through the pivot point of the bow grip, plus 1¾ inches.

ATA実引き尺:
DLPP(次項参照)+ 1 3/4"

Draw Length Pivot Point (DLPP):
The bow’s true draw length. This is the distance at the bow’s full-drawn position measured from the string at the nocking point to a vertical line through the pivot point of the bow grip.

ピボットポイント引き尺:
弓の真の引き尺。フルドローで弦のノッキンクポイントからグリップのピボットポイントまでの水平距離。

3)強さ・ポンド(draw weight)


Bow designated draw weight:
Bow weight shall be designated as the force required to draw from brace height to ATA Actual Draw Length of 28 inches.

弓の呼び引き強さ:
brace heightからATA引き尺で28"まで引くのに必要な力を弓の呼び強さとする。



2. リムの効率
1)引き尺が短い人(一般に背の低い人)が、長い弓を引くと、引き込み不足になり
2)引き尺が長い人(一般に背の高い人)が、短い弓を引くと、引き込過ぎとなる、
と言われています。

1)は、弓の性能を100%は発揮できない(矢速が遅くなる)が、弓を射ることに問題はない 2)は、Stacking Pointを過ぎて、弓が引き難くなり、さらに引くと危険である
と言われています。


この「弓の性能を100%は発揮できない」「弓が引き難くなる」をForce-Draw Curveを使って考えてみます。



Force Draw Curveは、弓を引いたとのリムからの力(左の軸)とリムに蓄えられるエネルギー量(曲線の下の面積)を引き尺(Draw Length 下の軸)との関係で表すグラフです。(矢速を考える 参照)

引き始め、Brace Heightから一気にリムの反力が上昇し、その後、引き込み量に合わせてリムにエネルギが緩やかに蓄えられます。

リムの反発力の上昇率(曲線の傾き)が、Brace Heightから曲線に引いた接線に近づく直線部をSweet Spotと呼び、リムが高い効率を示す引き尺です。

Brace Heightから曲線に引いた接線との交点をStacking pointと言います。

3)「弓の性能を100%は発揮できない」わけ
フルドローの時にSweet Spot付近まで弓が引かれていることを前提にリムは設計されす、その付近でリリースされたときリムの能力が発揮されます。

Re-curve(後ろに反り返った)Bow(弓)の特徴は、リムの先端の反り返った部分が反発力の源であり、その部分の反発力を効率よく使うには、リムから弦が十分に離れる必要がありますが、引き尺が短い人が長い弓を引くと、リムから弦が十分に離れません。(写真参照) 

4)「弓が引き難くなる」わけ
Stacking pointより更に引き込むと、急激にリムの反発力が強くなり、弓が引き難くなります。(リムが硬く感じられる

さらに弓を引き、リムと弦がなす角度が90度付近になると、弓を引く力はリムから弦を外す力となり、弦が外れる可能性があり非常に危険な状態となります。

3.引き尺と弓のサイズ
引き尺が短い人でも、引き尺に合ったサイズの弓を選ぶことで、フルドローの時に効率のよいリムの形を作ることができます。

図は、68"Bowのサイズを1として、各弓のサイズに合わせて図を拡大(70"Bow)及び縮小(66"、64”Bow)したものです。



各図とも弦とリムがなす角度は同じで、相似則が適用できない寸法は、DLPP(Draw Length Pivot Point)に1 3/4”加えてATA Draw Lengthを求める部分です。

この部分を考慮して、各弓のリム効率の良い引き尺を求めてみます。

68"Bowの引き尺 が28"(ATA Draw Length)の時、リムの形(効率)がよいと仮定します。

ことのき、引き尺のDLPP部は、相似則により弓の長さに比例するので、各弓の引き尺をATA Draw Lengthで表すと、
(Bow Size/68"Bow Size)x(ATA-28"のDLPP(28-1.75))+1.75
となります。

実際に各弓のリムの形(効率)がよい引き尺は、
 70"Bow --->70/68(28-1.75)+1.75=28.8"--->29"
 68"Bow --->68/68(28-1.75)+1.75=28"
 66"Bow --->66/68(28-1.75)+1.75=27.2"-->27"
 64"Bow --->64/68(28-1.75)+1.75=26.5"--->26"
となります。

最初に書いたUukhaの取説と同じ結果ですが、意図したものではありません

弓サイズと引尺を考える その2」は、Uukhaのリムデータを用いてForce Draw Curveを描いてみます。

2019年4月24日水曜日

矢の硬さを考える-その2

前に矢の硬さを考えるで、矢の固有振動数はその重量を重くすると小さくなり、軽くすると大きくなると書きました。(固有振動数 ∝ √1/重量 の関係)

言い換えれば、矢を重くすると矢は柔らかい側に変化し、軽くすると硬い側に変化することになります。

この法則で、矢が硬い傾向にあるときポイントの重量を増やし、矢の特性を柔かい側に変えることができます。

一方、矢が硬いときの対策として、羽を重いゴム羽から軽いスピンベーンに変更する対策があります。これはノック側を軽くして矢の特性を柔かい側に変える方法で、前の説明と矛盾します。

矢のノック側でも重量を増した場合、矢の振動数が増加し柔らかい性質を持つはずですが、なぜ硬い性質を示すのでしょうか。

ノック側の重量を増した場合、矢の振動数は先の通り小さくなり、矢の性質(固有振動数)は柔らかい方向に向かいますが、重量増加でノック側の慣性力が大きくなり、振動の振幅は小さく(注)硬い特性を持ちます

この振幅減少の方が、振動数減少より矢の硬さへの影響が大きく、ノック側の重量を増した場合、矢は硬い側に移行します。

注)硬いものは、柔らかいものより振幅が小さい

ある論文(The Mechanics of Arrow Flight upon Release)に次の記述があります。
-----------------以下引用------------------------

A larger mass at the tip of the arrow will causes the tip to resist the initial change in motion from the force applied by the shaft, causing the shaft to deform more, with the same effect as decreasing the stiffness of the shaft. A smaller tip mass would have the opposite effect.

ポイント側(tip)の質量を増加させると、シャフトに働くポイントの慣性力がシャフトの初期変形を起こさせ、シャフトの変形を大きくするため、シャフトを柔かくしたのと同じ効果があります。小さくした場合は逆の影響があります。(注)

Conversely, a larger mass at the tail of the arrow creates a tendency for the tail to resist the initial change in motion from the force applied to the bowstring, causing the shaft to deform less, with the same effect as increasing the stiffness of the shaft. Reducing the tail mass would have the opposite effect.

一方、ノック側(tail)の質量を増加させると、弦から受ける力に抵抗するノック側の慣性力でシャフトの変形が小さく抑えられるため、シャフトを硬くしたのと同じ効果があります。減らすと逆の影響があります。

Increasing the mass at the tail of the shaft would have no effect on the static spine, would cause the arrow to appear stiffer when launched, but would decrease the frequency of vibration.

ノック側(tail)の質量の増加は、静的スパインに影響しませんが、矢が発射されるとき硬い性質を現しますが、振動数は減少させます

------------引用終わり----------------

注)ポイントの慣性力(質量がある物体が外力に抗してそこに留まろうとする力)と弦がノック(シャフト)を押す力(横方向と軸方向の力)がシャフトに作用し、シャフトは曲げ振動をはじめます、また、質量(重さ)が大きいほど慣性力は大きくなります。

この現象を数値解析した論文(アーチェリーパラドックスにおける弓具や射形の動力学モデルと調整)に次のデータが記載されています。(原文の表は英文)
--------------以下引用--------------------

表2. 矢の振動周期[ms](1)の変化率
矢のパラメータ 
変化率
変化率(US単位)
シャフトのサイズ [1size](3)   
-0.72[ms/1size]
-0.72[ms/1size]
シャフトの長さ  [cm](5)
0.22[ms/cm]
0.559[ms/inch]
ノックに重さ [0.1g](4)
0.05[ms/0.1g]
0.032[ms/gr]
ポイントの重さ [g](5)
0.19[ms/g]
0.012[ms/gr]



表3.ノックの振幅(mm)(2)の変化率
矢のパラメータ 
変化率
変化率(US単位)
シャフトのサイズ [1size](3)   
-3.21[mm/1size]
-3.21[mm/1size]
シャフトの長さ  [cm](5)
0.52[mm/cm]
1.32[mm/inch]
ノックに重さ [0.1g](4)
-0.51[mm/0.1g]
-0.306[mm/gr]
ポイントの重さ [g](5)
0.51[mm/g]
0.306[mm/gr]


------------引用終わり----------------

注)
(1) 振動周期[ms]:1往復シャフトが振動するのに要する時間(1/1000秒単位)周期は振動数の逆数。

(2)ノックの振幅:ノックの先端が振動で振れる幅(mm)。

(3)シャフトを1サイズ(1714 X7 スパイン0.963 を 1814 X7 スパイン0.799)変えたとき、矢は硬くなり振動周期は0.72ms 短く、ノックの振幅は、3.2mm狭くなる。
スパインを小くするとシャフトは、曲がりにくくなるため、振動周期は短く、振幅は小さくなる。

(4)ノック側を重くした場合、振動周期は長く(振動数は小さく)なるが、振幅の減少率が大きく、矢は硬い性質を持つ

ノック側を0.1g増加させたときの変化率とシャフトを1サイズ変えたときの変化率と比べると(ノック側を0.1g増加の変化率/シャフトを1サイズの変化率)

  - 矢の振動周期: 0.05/(-0.72)=-0.07

  - ノックの振幅: -0.51/(-3.21)=0.16

となり、ノック側の重量増加は矢を柔かくする効果より、硬くする効果の方が大きいことがわかる。

(5)シャフトを長くしたときと、ポイントを重くしたときはともに、矢の振動周期は長く(振動数は小さく)なり、かつ、振幅は大きくなるので、矢は柔らかい性質を持つ。

--蛇足---


矢の挙動に影響を与える矢の要素

矢の要素                         変化      振動数        振幅            矢の硬さ

シャフト長                     長くなると   小さくなる  広くなる   柔らかくなる

シャフト外径                 大きくなると  大きくなる  狭くなる 硬くなる

シャフト弾性率             大きくなると  大きくなる     狭くなる    硬くなる

シャフト密度                 重くなると     小さくなる      広くなる    柔らかくなる

ポイント側重さ             重くなると   小さくなる     広くなる    柔らかくなる

ノック側重さ                重くなると   小さくなる      狭くなる     硬くなる(注)

注)発射時


2019年1月26日土曜日

羽の違いを考える

シャフトの新調に伴い羽も変えてみようかと、友人に頂いた「Kプロダクツ フロナイトソリッドベイン」と従来から使用している「RANGE-O-MATIC スピンウィングベイン」を矢に貼り、各3本を同時に試射してみました。




結果から言えば全く同じにしか見えません。(各10点2本、9点1本)
当然と言えば当然の結果です。距離が短い(25m)ので矢の回転よる修正の違いは的面には表れない。(70mならば、違いがでるか?)

FOC(注)(Front of Center)は全く同じで、飛びも同じ

前回、羽のオフセットについて考えるで述べたようにう、短距離では羽による修正力よりシャフト自身の特性が結果を左右するようです。





注)FOCとは、矢の重心の位置を表す指標で、図のLとAから、
    FOC(%)=100*(A-L/2)/L 
で計算されます。(矢の重心:矢の前側と後ろ側で、天秤が釣り合う点

一般的(ターゲットの場合)に、FOCは、11%から16%程度が適正と言われているようですが、今回の私の矢のFOCは、L=725m、A=485mmで17%程です。

前側が重いトップヘビーとなっていますが、トップヘビーは矢が飛ぶときポイントが矢を引っ張る形となり矢飛びが安定し、羽に作用する空気抵抗の修正力を効果的に利用することができます。

しかし、あまり重いポイントにすると矢全体が重くなり矢速が落ちて、矢が山なりに飛び着矢の精度が落ちます。

今回は、ACEよりポイントを軽く(110grを100gr)したにも関わらず、トップヘビーとなったのは、シャフトを軽くした効果の現れです。(ACEのFOCは18%程度でした)

ターゲットの場合、High FOCが求められる説明がNetにありましたので参考まで。

 Why do FITA shooters prefer a high amount of FOC?

They are seeking precision long range accuracy.  To achieve this, the arrows must be very stable in flight.  High FOC permits stabilization from relative smaller fletching.  Smaller fletching offers a lower drag factor and is less subject to the effects of cross-winds than larger fletching.  These factors become important at the extreme ranges at which FITA shooters compete.

2019年1月25日金曜日

羽のオフセットについて考える

ACEを2年ほど使っていたいましたが、軽い矢を求めて、SKYLON の Paragon シャフトで矢を新調しました。 

仕様は、
今までの矢:ACE-670(スパイン 670 径5.35mm 5.9gr/inch ポイント 110gr)
新調:Paragon-750(スパイン 750 径4.63mm 5.31gr/inch ポイント 100gr)

非力なアーチャーにとって、「軽くて・細い」は、絶対的な正義。(のはず?)

ACE-670に比べ、矢のスパインを750と柔かくしたのは、ParagonはFull Carbonでピンノックのため、硬いと考え2ランク柔らかいものを選びました。

早速、ベアシャフトチューニング(25m)、結果は左の写真の通りで、ベア(3本)と羽根つき(3本)が、ACE-670の弓のセッティングのままで区別がつかない位置にきました。







あとは、プランジャーのばね圧で一番グルーピングがよさそうな所を探って、ばね圧を強めたところで、うまくいったようです。



チューニングに使った的は、大体黄色に入っているので、特に調整しなくてもOkだったかもしてません。

シャフトを選ぶとき、2ランク柔らかくしたのが正解だったようです。


話は代わって本題、矢の羽を貼るときのオフセット(ピッチとも言う)について考えてみます。

オフセットの目的は飛翔中の矢に回転を与え、矢尻がポインの後をよく追うようにし、グルーピングの向上を狙うものです。

あるサイト「Helical vs. Straight Fletch: Accuracy and Repeatability」(http://archeryreport.com/2011/07/helical-straight-fletch-accuracy-repeatability/)に次の写真が掲載されていました。

この写真は、40yard(約36m)の的に、各23本のHelical(らせん状)の羽とストレート(オフセットなし)の羽の矢を射ちこんだものとの説明があります。

一見するとほとんど同じに見えますが、ややHelicalの方がグルーピングが良いようです。

左の写真は、Straight(ストレート)、Offset(オフセット)Helicalの様子ですが、Offsetは羽を貼る時に、シャフト対して角度を付けることで、Helicalと同じ効果をねらったものです。

しかし、矢を回転させるエネルギーは、羽の空気抵抗により生み出され、矢速の低下を招きます、極端な場合「失速」という悪影響生み出します。(矢がふらふら飛ぶ)

Helical vs. Straight Fletch: Speed and Deceleration (http://archeryreport.com/2011/07/helical-straight-fletch-speed-deceleration/)に軽い矢の場合、30yard(約27m)で11%の矢速が失われると書かれています。

前に、「ベアシャフトも回転しいる」に書いたように、リリース時のストリングの動きにより矢に回転が生み出され、ストレートの羽の矢を射っても矢はきれいに飛びます。

特に、短距離(18m以下)では、ストレートとピッチ付き羽でグルーピングに違いは出ません。(ベアシャフトチューニングでは、羽がなくても同じところに集まります。上の写真)

パラドックの影響がある距離では、矢尻が左右に振れるため、矢の回転数アップによる精度向上は期待できません。

短距離で、羽による矢の精度の向を図るためには、矢尻が左右に振れのを止めるため面積が大ききく空気抵抗の大きい羽を、太く長い矢に貼る必要があります。

非力なアーチャーがそれを行うと、大きな空気抵抗のため矢速が失われ「失速」が起こり、かえって命中精度が悪化します。

特に、子供のように低ポンドの弓で山なりに矢を射る場合、矢速をいかに高く保つかを第一に考える必要があり、低速の矢にピッチをつけても無意味です。

また、つぎのような説明もありました。
For competition target setups that don't require much stabilization, the straight fletch may be the best option.

多くのサイトで長距離またはハンティング以外の用途では、羽の貼り方はストレートで良いのではないかと言われています。