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奧林匹克科學

摘自趙誌珍的《奧運科技之光》。經趙誌珍先生授權,科學松鼠會在網上發布,轉載自:科學松鼠會[]

弓作為高效的“能量轉換器”,能將70%至80%的彈性勢能轉化為箭的動能,“剩余”的能量成為弓的阻尼振動。

射箭的含義

白、黑、藍、紅、黃,這五色同心圓是射箭賽場上的“靶子”。箭靶直徑122厘米,靶心直徑只有12.2厘米。壹個運動員要從90米外射10環,相當於站在足球場的壹個球門裏,向對面的球門射壹個蘋果。換句話說,整個目標的大小看起來就像妳面前的圖釘。要做到“百步穿楊”,壹箭無虛發,真的不是壹件容易的事。

世界上很難找到壹個民族,歷史上從來沒有用過弓箭。丘比特的“金箭”和“鉛箭”管轄著天地間的愛情。羅賓漢靠“神箭”劫富濟貧,後羿靠“九天射箭場”改造“生態環境”。東西方有多少神話傳說與弓箭有關。在“熱兵器”出現之前的漫長歲月裏,弓箭壹直是最強大的軍事裝備。從狩獵工具到戰爭武器再到體育運動,弓箭在人類文明中的作用發生了根本性的變化。

1908倫敦奧運會女子射箭比賽

1900巴黎奧運會的時候,射箭已經是壹項“老式”的體育競賽了。老式長弓優雅,成為女性進入現代奧運會的第壹聲。1920年安特衛普奧運會後射箭被取消資格,原因是主辦國沒有統壹的競賽規則。我們應該深切感謝英奇·布裏斯女士。在國際單項體育聯合會唯壹壹位女性主席的領導下,國際箭聯經過不懈的努力,終於在1972年使射箭重返奧林匹克大家庭。美國男團曾在亞特蘭大奧運會上奪得個人和團體冠軍,明星射手麥金尼被譽為射箭界的“常青樹”。被稱為“射箭機器”的韓國“夢之隊”,壹度成為世界女子射箭的領軍人物。中國姑娘何穎和搭檔在2001第41屆世錦賽上首次獲得女子團體冠軍。

在射擊中,子彈的飛行是由火藥或壓縮氣體推動的。射箭的所有力量完全來自於人的體力。如今奧運會使用的反曲弓仍然是傳統弓箭的“直系傳人”,由剛性的手柄、彈性的上下弓片和堅韌的弓弦組成。在運動員持弓臂和拉弓臂的作用下,弓弦上的張力使弓的外側被拉伸,內側被壓縮,從而帶來弓的彎曲,將肌肉收縮力轉化為弓的彈性勢能,然後突然釋放出推箭的飛行。弓實際上是壹個能量轉換器,將人的生理能量轉化為箭的動能。在弓的彎曲過程中,每壹節所承受的力矩是不壹樣的,離弓柄越遠應力越小,這也是反曲弓將弓尖設計成“反曲”形狀的原因。

古人早就明白了“弓要有力”的道理。射箭比賽中,男選手的平均力量在50斤左右,女選手在35斤左右。壹場常規的世錦賽,四天雙局要288次弓射。男選手累計力量近8噸,女選手5噸多。但是壹個舉重運動員壹次比賽只舉1.5噸。可見箭術有多重。更難的是,弓箭手大部分時間都處於“拉而不發,跳如馬”的狀態,對弓箭系統的橫向支撐和站立身體的縱向支撐形成“十字”受力結構,“身端枯如枝”,這種高級的“靜平衡”真不是壹天建成的。

射箭瞄準比射擊瞄準更難,因為弓上只有瞄準鏡沒有“門”,不可能像槍壹樣找到現成的“瞄準基線”。假設我們以靶心為原點做水平X軸,垂直Y軸。當靶心、瞄準器、弓弦的邊緣和眼睛在壹條直線上時,箭的飛行方向的垂直面應與“弓面”壹致,並與靶上的Y軸重合,這樣射出的箭就會集中在Y軸上。那麽,如何保證箭頭在目標上靠近X軸呢?

運動員每次拉弓,都會把手指放在下頜骨右側。有的射手在弓弦上放壹個小小的“吻鈕”,每射出壹箭就用嘴唇吻壹下,讓弓弦“靠”在鼻子、人和下巴的中點上。這種“斜靠法”保證了從尾槽到瞄準眼的固定“斜靠距離”,因此很容易控制箭的高度。

保證用力的直線性是射箭的要領之壹。推弓合力點、鉤點和拉弓臂肘關節中心點應在壹條直線上。運動員在握功時不能全掌“握弓”而要虎口“推弓”,只是為了保證手與弓的近似“點接觸”而不是盡量寬的“面接觸”。

反曲弓

壹個看起來不起眼的小零件,叫做“信號片”,卻堪稱射箭史上意義重大的發明。這是弓把上的壹塊鋼,用來壓住箭桿。弓箭手拉弓到位,箭滑出,鋼片在反彈中撞上弓柄,發出清脆的“喀嚓”聲。信號膜可以精確“監控”運動員每次弓的深度,保證弓臂保持相同的張力,通過“聲控操作”捕捉“最佳展開時間”。在射箭運動中,最重要的是動作的壹致性。每個玩家通過苦心經營形成的技能,必須是高度固定和程序化的,像機器壹樣精準和重復,不會隨時走樣和變形。

人們常用“離弦之箭”來形容速度。反曲弓射出的箭的初速約為每小時240公裏,超過了子彈頭列車。箭的速度取決於弓的強度和效率,箭的形狀,重量和表面積。以不同方式粘合的箭羽可以使箭繞縱軸旋轉,保證飛行穩定性。作為長徑比較大的飛行體,來自弓弦的加速度會使箭桿發生撓曲和彈性振動,降低飛行穩定性。但與射擊相比,箭的“動作”太慢,速度只有子彈的十分之壹,到達70米外的射程大約需要1秒。如果初速方向是“平拋”向靶心,箭在到達目標時會因地球引力而下落近5米。所以射箭壹定要有壹個“仰角”,這樣箭才能做出“斜拋動作”,“彈道”才能變成拱形拋物線。難怪箭靶與地面垂直方向呈15度角放置,以“仰視”的姿態面對“萬箭穿心”。對了,今天的箭靶是把盤好的草繩縫起來再用靶紙包起來,用的材料和諸葛亮的“草船借箭”壹樣。

箭靶與垂線成15度角。

弓作為高效的“能量轉換器”,能將70%至80%的彈性勢能轉化為箭的動能,“剩余”的能量成為弓的阻尼振動。根據科學史專家的研究,早期人類弦樂器的出現是受到弓弦振動產生的聲音的啟發。至於彈棉花的弓,更明顯是“事出有因”。這些安裝在反曲弓上的雜棍,為了增加弓的靜慣性和轉動慣性,從而減少弓在展開時的位移和振動,被稱為“減震器”。並達到“配重”的效果,使弓箭系統的質心更靠近推弓點以保持平衡。

復合弓

65438-0995年在雅加達舉行的第38屆射箭世錦賽上,歷經千辛萬苦的復合弓終於被國際射箭聯合會批準為正式比賽項目。這是美國人艾倫在1969年發明的壹種真正的“現代弓”,但它的“創新”恰恰是將輪子和弓箭這兩種人類最古老的發明結合在壹起。復合弓在上弓片和下弓片的末端裝有偏心輪。利用動滑輪的杠桿原理,開弓力達到最大後,隨著拉距的增加越來越“節能”,滿弓時可減力70%。這不僅使運動員能夠以更加放松舒適的狀態用弓瞄準,也使女性能夠跨越體力的差距,像男性壹樣使用“硬弓”。

對比反曲弓的拉力曲線,由於它與拉動距離的增加成正比,所以弓弦作用在箭上的力是突然的、遞減的。而復合弓對箭的加速力由小變大,逐漸趨於峰值,有效作用距離相應延長,使箭更快離弦,飛行軌跡更直。此外,復合弓不再用三個手指勾弦、鋪弦,而是“扣動扳機”讓“鋪弦人”替妳做。光學瞄準鏡和氣泡水平儀的使用大大提高了射箭的準確性。復合弓處處凝聚著科學智慧,近年來迅速風靡全球。銷量已經占據了世界弓箭市場90%以上的份額,成為弓箭家族最繁榮的“主流”。雖然奧運會還沒有接受復合弓作為正式比賽項目,但是2008年在北京舉行的13殘奧會已經第壹次給復合弓開了綠燈。

世界各地每年都在大力開展越來越多的射箭比賽。在長距離比賽中,每組按最好成績射6箭,持弓世界紀錄達到1.220米。在地面靶比賽中,圍繞豎立在地面上的柱子畫壹個直徑為15米的大靶,選手從百米開外射出36支箭來決定勝負。騎射仍然是很多民族喜愛的傳統比賽,滑雪和射箭正式進入冬奧會已成定局。在現代體育之林,射箭的生命力與日俱增。

從古代作坊的工匠到現代企業的高科技設備,從竹片、牛角、木桿到鋁合金、玻璃鋼、碳纖維,幾千年來人類從未停止制造弓箭。我們可能會不可避免地陷入對過去的懷念和對文明的追求。弓箭來自我們原始的祖先,會傳給遙遠的後代。

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