Рассуждалки на тему арбалета
Походив по различным сайтам арбалетной направленности, как русским, так и нерусским обнаружил интересную (IMHO) несообразность. Что дается в качестве характеристик арбалета различными уважаемыми производителями и многими самодельщиками?
1) Усилие натяга
2) Рабочий ход тетивы
3) иногда скорость снаряда (какого?)
Мне представляется, что этих данных явно недостаточно для понимания хороший арбалет продается (или получился в результате изготовления). Сейчас поясню почему.
Мне представляется, что важнейшей характеристикой арбалета является энергия, которую он запасает в процессе заряда и передает снаряду во время выстрела. Из курса физики всем известно, что энергия - это сила умноженная на расстояние. Если для арбалета даны 1 и 2 вышеприведенная характеристики (f1 и s1), то мы имеем две точки (0 и N) кривой, которую можно было бы назвать Энергетической Характеристикой (ЭХ) арбалета (см. Рис.0)
Рис.0
f1 - это усилие натяга тетивы
s1 - это рабочий ход тетивы
Запасенная энергия - это площадь под кривой ЭХ.
Дальше начинается самое интересное - если вид ЭХ - это прямая (1) - энергия одна, если это кривая типа 2 или 3 - то совсем другая и понять это имея от кривой только две точки, которые нам дают продавая арбалет (0 и N) - невозможно. При этом имея арбалет снять ЭХ совершенно нетрудно - достаточно выполнить натяг тетивы через бытовой динамометр (они бывают до 20 кг) снимая значения с динамометра через каждый сантиметр натяга (два динамометра позволят измерить усилие до 40 килограмм - то есть практически любой допустимый последним ГОСТом экземпляр). Можно натягивать тетиву упирая ложе арбалета в напольные весы - в общем нетрудно снять ЭХ несложными подручными средствами.
Наиболее интересным представляется характер кривой 3. Возникает вопрос - бывают ли арбалеты с такой ЭХ и какие конструктивные моменты позволяют получить ЭХ такого типа. Как получить характер кривой 2 - я понимаю, но арбалет с ЭХ такого типа - плохой арбалет.. во всяком случае его энергетика явно неоптимальна.
Достаточно ли ЭХ для оценки арбалета? Нет не достаточно. Кроме энергетических сильно интересуют скоростные возможности арбалета. Идеалом было бы снятие Скоростной Характеристики (СХ) (скорость воздействующего на стрелу участка тетивы в точках снятия ЭХ при холостом выстреле), но как это сделать подручными средствами я пока не придумал, поэтому можно ограничиться измерением скорости самого легкого из допустимых снарядов (например стального шарика минимально допустимого размера для арбалета, который допускает срельбу шариками, либо самой легкой из допустимых стрел). Это я предполагаю сделать по методу описанному в Исследовании 2.
Отсюда у меня вопрос/просьба к владельцам (особенно самодельных арбалетов неклассических конструкций) - пожалуйста, снимите ЭХ Ваших любимцев и опубликуйте на форуме.. просто интересно.. думаю Вам тоже
.
Далее приведены некоторые исследования, которые должны дать ответы на вопросы, которые я не нашел в инете сколько не искал.
Цитата:
Лирическое отступление:
Очень перспективным представляется направление арбалета в котором роль аккумулятора энергии играет пневмоцилиндр(ы) (по типу тех, которые обеспечивают открывание багажника) потому что:
1) Можно существенно менять энергетические характеристики просто меняя начальное давление в цилиндре
2) Возможен очень приличный рабочий ход поршня => опять же улучшение энергетики
3) Воздух весит меньше чем рессорная сталь - поэтому возможно проглядывается уменьшение веса устройства (требует изучения массо-энергетических характеристик пневмопружин)
4) Пневмоцилиндр можно упрятать в корпус(ложе) арбалета и избавиться от существенного недостатка традиционных арбалетов - больших поперечных размеров
Очень перспективным представляется направление арбалета в котором роль аккумулятора энергии играет пневмоцилиндр(ы) (по типу тех, которые обеспечивают открывание багажника) потому что:
1) Можно существенно менять энергетические характеристики просто меняя начальное давление в цилиндре
2) Возможен очень приличный рабочий ход поршня => опять же улучшение энергетики
3) Воздух весит меньше чем рессорная сталь - поэтому возможно проглядывается уменьшение веса устройства (требует изучения массо-энергетических характеристик пневмопружин)
4) Пневмоцилиндр можно упрятать в корпус(ложе) арбалета и избавиться от существенного недостатка традиционных арбалетов - больших поперечных размеров
Исследование 1
Первое, что необходимо определить выбрав материал и размеры плеч арбалета - это предельно допустимую (D1) и как следствие рабочую (D2 ~ 0,9 * D1) деформацию плеч.
После этого необходимо рассчитать энергию деформированного плеча E1 при деформации D2 и как следствие потенциальную энергию заряда E2 = 2 * E1.
Для варианта рессоры в качестве материала для плеч необходимо получить D2 и E2 при деформации в обоих направлениях.
После проведения исследования 1 можно рассчитать рабочий ход тетивы для всех исследуемых схем.
Исследование 2
Взяв за основу полученные значения D2 и E2, необходимо экспериментально определить передачу энергии снаряду при различных конструкциях арбалета. Предлагается исследовать следующие схемы:
1) Классическая - два плеча и тетива см. рис. 1
2) Блочный 1 - плечи закреплены как в варианте 1, на концах плеч два блока, установка тетивы показана на рис 2
3) Блочный 2 - плечи закреплены как в варианте 1, на концах плеч два блока, еще два блока и тетива установлены так, как показано на рисунке 3
4) Блочный 3 - плечи закреплены через шарниры на концах и посередине, на свободных концах установлены два блока. Установка тетивы см рис.4
5) Блочный 4 - то же, что и вариант 4, только блоков 4 (рис.5)
6) Блочный 5 - похож на вариант 4, но рессора работает в естественном для рессоры направлении - блоков 2 (рис.6)
7) Блочный 6 - то же, что вариант 6, но блоков 4 (рис.7)
Блочный 7 - обратное расположение плеч, рессора работает в естественном направлении (перевернутый вариант 6), блоков 2 (рис.
9) Блочный 8 - перевернутый вариант 6, блоков 4 (рис.9)
10) Блочный 9 - плечи подвешены параллельно, закреплены посередине, блоков 4 на концах (рис.10)
11) Блочный 10 - плечи подвешены параллельно, закреплены посередине, блоков 8 (рис.11)
Собрав на стенде схему следует снять ее энергетическую характеристику ЭХ, измеряя усилие натяга после каждого сантиметра натяга. После чего возможно рассчитать энергию запасенную каждой конструкцией. Возможно для продолжения исследования следует выбрать для каждой из схем такой рабочий ход, чтобы запасенная энергия для всех вариантов была одинакова.
Передачу энергии снаряду следует измерять производя отстрел снарядами различной массы по мишени. Мишень представляет собой маятник, массивная часть которого выполнена из материала обеспечивающего неупругое соударение снаряда и мишени (например пластилин или строительная замазка для шарика, либо торец бревна для стрелы). Измерять следует амплитуду колебаний маятника (максимальное горизонтальное смещение), по которой расчетами определять энергию и скорость снаряда. Масса и конструкция мишени должны быть таковы, чтобы обеспечить удобство измерения горизонтального смещения.
Цель исследования - понимание скоростных и энергетических возможностей каждой схемы и определение оптимальной массы снаряда для каждой из схем.
Полезные формулы из школьного курса физики:
Определение скорости снаряда при неупругом столкновении с массой маятника
Кинетическая энергия снаряда при этом
m - масса снаряда
М - масса маятника
L - длина подвеса маятника
l - максимальное горизонтальное смещение массы (М+m) после выстрела
g - ускорение свободного падения
V - скорость снаряда
Возможна проблема в случае если колебания получатся сложными - вращение массивной части маятника, паразитные колебания и т.п. конструкция мишени должна предотвращать или минимизировать эти эффекты - например
1 - выстрел следует производить в центр массы мишени
2 - подвес маятника должен минимизировать паразитные колебания.
Примерная схема мишени см. рис.12
Рис.12
Пример расчета.
Возьмем для примера гипотетический арбалет с характеристиками
Усилие натяга 43 кг (f1~430Н)
Рабочий ход 30 см (s1 = 0.3м)
Предположим (а что еще делать) что ЭХ - прямая
Тогда запасенная энергия будет (площадь под кривой):
E = (f1 * s1)/2 = (430 * 0.3) / 2 = 64.5 Дж
Предположим опять же гипотетически для простоты, что вся эта запасенная энергия передана снаряду-стреле массой 100 (m) грамм.
Тогда скорость этой стрелы будет
V = sqrt(2 * Е / m) = sqrt(2 * 64.5 / 0.1) = 35.9 м/с
если при тех же условиях стрела 20 грамм, то V = 80,3 м/с
Примем для примера следующие параметры мишени:
Длина подвеса - 1 м
Масса мишени - 50 кг
Тогда при попадании такой стрелы (предполагая, что вся энергия перейдет в качание маятника) получим высоту подъема мишени h
E = M*g*h => h = E/(g*M) = 64.5/(9.8*50) = 0.131 м
Дальше просто
По теореме Пифагора
(L-h)2 + l2 = L2 => l = sqrt (L2 - (L-h)2 => l = sqrt(1 - (1-0.131)2)= 0,49 м
Замерить на мишени такой конструкции расстояние полметра с достаточной для выводов точностью, по-моему, вполне реально.
Pike
