Drewniany łuk średniowieczny

Pierwsza książka na polskim rynku poświęcona wyrobie tradycyjnych łuków i strzał. Autor opisuje podstawy robienia łuków, doboru odpowiedniego gatunku drewna, robienia strzał, cięciw i konserwacji...

czytaj dalej...

Wytrzymałość cięciw

Dodano: 2009-03-05
Autor: Cream

O cięciwach napisano generalnie niewiele. Tak bardzo mało zostało napisane o ich wytrzymałości i filozofii budowy. Nie wszyscy do końca zdają sobie sprawę jak ważny jest odpowiedni dobór cięciwy do łuku. Źle dobrana cięciwa znacząco spowolni nasz łuk kradnąc energię potrzebną do przekazania strzale. Nawet najlepiej zrobiony łuk nie zdziała wiele z nieodpowiednią cięciwą.

Włókna równoległe i skręcane


Jeśli weźmiemy kilka włókien materiału na cięciwę i skręcimy je razem, to jej siła na zerwanie będzie średnią z wytrzymałości poszczególnych włókien (tak jest np. w cięciwach flamandzkich). Natomiast, jeśli poszczególne włókna biegną równolegle, bez skręcania, to każde włókno ma wytrzymałość jej najsłabszego miejsca (cięciwy robione na maszynce).

Jeśli trudno to zrozumieć, wyobraźcie sobie poszczególną rzecz: bierzemy włókno o długości 2m. Jeśli jest zrobione z naturalnych materiałów (np. len), mamy praktycznie gwarancję że to włókno nie będzie jednolite na całej długości – w niektórych miejscach może być cieńsze, w niektórych ciut grubsze, co przekłada się bezpośrednio na wytrzymałość. Teraz potnijmy nasze włókno na kilka mniejszych i zmierzmy ich wytrzymałość na zerwanie. Dostaniemy różne wartości (np. z przedziału 2-5kg). Teraz wyobraźcie sobie to włókno poskładane z powrotem. Są w nim znowu wszystkie silne i słabe miejsca. Ale jeśli naprężamy włókno, to puści tam, gdzie jest najsłabsze miejsce, czyli w naszym wypadku przy sile 2kg. Coś jak najsłabsze ogniwo w łańcuchu.

A dlaczego skręcone włókna mają siłę o uśrednionej wartości siły poszczególnych włókien? Gdy skręcimy kilka włókien, tarcie zapobiega ześlizgiwaniu ich i trzymają się razem. Ponadto, gdy je naciągamy, wydłużają się, a średnica skręconych włókien przeciwdziała temu, co zwiększa jeszcze tarcie na poszczególne włókna. Ponadto słabe miejsca niektórych włókien mogą wystąpić obok mocniejszych części innych włókien. Te czynniki powodują, że wytrzymałość sznurka zrobionego z kilku skręconych włókien jest średnią wytrzymałości tych włókien.

Jednak gdy skręcamy sznur tylko w jedną stronę, gdy go puścimy to zacznie się sam rozkręcać. Dlatego cięciwy powinny być skręcane w dwie strony, tak jak flamandzkie, co zapobiega automatycznemu rozkręcaniu się włókien.

Z tych powodów, gdy robimy cięciwy flamandzkie możemy zmierzyć kilka odcinków włókna i wyciągnąć średnią. Natomiast w przypadku cięciw robionych na maszynce, o wiele bezpieczniej jest ustalić najmniejszą wytrzymałość z kilku długich odcinków (co najmniej o długości przyszłej cięciwy) i na tej podstawie wyliczać ilość potrzebnych włókien.

Kształt włókien i skręcanie


Zrobienie dobrej cięciwy wymaga więcej wysiłku, niż samo wybranie najmocniejszych włókien. Bardzo ważną rzeczą jest sposób ich ułożenia i powierzchnia samych włókien.

Gdy powierzchnia włókien jest gładka i śliska, to przy skręcaniu poszczególne włókna o wiele łatwiej „ślizgają” się pomiędzy sobą i są słabiej do siebie „przyklejone”. Wymagają wtedy zbyt ciasnego skręcania, co osłabia sznurek.

Krótsze włókna muszą być skręcane bardziej niż długie, co również obniża wytrzymałość skręcanego przez nas sznurka. Ponad to, gdy skręcamy za bardzo cięciwa robi się krótsza, przez co musimy nadrobić większą ilością włókien, aby długość była odpowiednia. Oznacza to znowu większą masę cięciwy, co jest również zjawiskiem niepożądanym.

Zbyt mocne skręcanie prowadzi również do znacznej rozciągliwości cięciwy, która to w ostatnim momencie ruchu (gdy strzała opuszcza cięciwę) rozciąga się nadmiernie i pochłania na to rozciągnięcie część energii, która mogłaby zostać przekazana strzale.

Ciekawą rzeczą jest, że mniejsza ilość mocniejszych włókien często przekłada się na słabszą cięciwę, niż gdybyśmy użyli większej ilości słabszych włókien. Dlaczego tak jest?

Ułożenie włókien


Zewnętrzne warstwy grubego, skręconego sznurka mają większą średnicę niż wewnętrzne warstwy. Stąd, gdy skręcone, włókna, które są na zewnątrz muszą rozciągnąć się bardziej i przebyć bardziej spiralną drogę niż włókna znajdujące się w środku skręconego sznurka. W efekcie bardziej pracują włókna, które są na zewnątrz, przez co są bardziej obciążone. Mniejsze obciążenie znoszą włókna, które są w środku. Skoro tak, środkowe włókna pracują minimalnie i są tylko zbędną masą. Przekłada się to na słabszą cięciwę na jednostkę jej masy.

Dokładnie odwrotnie jest w przypadku sznurków skręcanych z cieńszych włókien. Gdy cieńsze włókna są skręcane, wewnętrzne i zewnętrzne warstwy włókna pracują niemal w identycznym stopniu. Dlatego włókna zewnętrzne nie pękają tak szybko jak te w środku, co prowadzi do zwiększenia wytrzymałości cięciwy na jednostkę masy.

Skoro mniejsze włókna mogą skręcać się wokół siebie z większą częstotliwością, oznacza to więcej punktów kontaktu pomiędzy włóknami, co polepsza ich „sklejenie” razem, a to równa się mocniejszej cięciwie.

Najlepszym wyznacznikiem jakości cięciwy jest jej wytrzymałość na złamanie w stosunku do jej masy.

Optymalnym rozwiązaniem, przy robieniu cięciw skręcanych, jest używanie 6 lub 7 włókien na jedno „skręcone włókno” cięciwy. Przy 7 włóknach jedno znajduje się w środku i wyrównuje naprężenia pozostałych 6 włókien, które skręcają się wokół niego. Powyżej 7 włókien, zbyt wiele włókien znajduje się w środku i zwiększa masę bez zwiększenia wytrzymałości.

Oto prosty test, który ilustruje filozofię „nie więcej niż 7 włókien”.

Ilość włókien -> wytrzymałość -> wytrzymałość na włókno
40 -> 67kg -> 1,675
20 -> 33kg -> 1,650
10 -> 18kg -> 1,800
7 -> 15kg -> 2,142
5 -> 10kg -> 2,000

Obliczanie wytrzymałości cięciwy


Można wprowadzić drobną modyfikację wzoru na wytrzymałość cięciwy. Przeciętnie wygląda on następująco:

siła łuku * 4 = wytrzymałość cięciwy

Poniższy wzór bierze pod uwagę nie tylko samą siłę naciągu łuku, ale również wykres krzywej naciągu, czyli napięcie cięciwy w poszczególnych fazach naciągania. Wynika z niego prosta rzecz – łuki o dużym ułożeniu za cięciwą będą potrzebowały słabszych cięciw (czyli cięciw o mniejszej masie, co pozwoli im szybciej strzelać), łuki o dużym refleksie mocniejszych. Stosuje się go raczej do łuków o prostych ramionach, bez siyah.

siła naciągu przy długości naciągu 15 cali * 10 = wytrzymałość cięciwy

Przykład: mamy łuk o sile 22,5kg@28’’ i o dużym podążeniu za cięciwą, który po naciągnięciu na 15 cal (cięciwą o odpowiedniej długości do strzelania) pokazuje nam na siłomierzu 7kg. Czyli 7kg * 10 = 70kg. Normalny wzór: 22,5kg * 4 = 90kg. Różnica 20kg, czyli sporo masy.

Cięciwy flamandzkie i robione na maszynce


Przy robieniu jednych i drugich, warto wziąć pod uwagę kilka rzeczy:

Cięciwa robiona na maszynce:

1. Cięciwy robione na maszynce nie muszą posiadać dodatkowego wzmocnienia na gryfach, które proponuje Jankowski w swojej książce (nie mówię tutaj o owijkach, które z oczywistych względów muszą być).

2. Skoro każde włókno i tak jest naprężane osobno i zerwie się w najsłabszym miejscu, najlepiej, aby te włókna były skręcone z 7 mniejszych włókien. Jest to trudne i czasochłonne do osiągnięcia bez żadnych przyrządów, większość z nas używa po prostu lnianej dratwy i owija włókna wokół maszynki. Gdybyśmy chcieli zrobić włókna składające się z 7 mniejszych włókien, wiązałoby się to ze skręceniem bardzo długiego sznurka.

3. Cięciwa może być zrobiona dokładnie na żądaną długość, co zapobiega niepotrzebnemu jej skręcaniu.

Cięciwy flamandzkie:

1. W cięciwie flamandzkiej najsłabszym miejscem jest miejsce wiązania gryfu łuku. Należy wzmocnić to miejsce o dodatkowe 25-100% ilości włókien.

2. Cięciwa musi być skręcana o odpowiednim, stałym naprężeniem włókien. Dobrze jest je delikatnie obciążyć co jakąś długość.