La flessione della freccia in volo ne aumenta la resistenza

La sintesi di oggi

Tutte le prove vengono da un solo laboratorio giapponese, che fra il 2011 e il 2017 ha misurato la resistenza delle frecce in una galleria del vento a sospensione magnetica e in volo libero, ripreso ad alta velocità. Lette insieme dicono che la flessione conta perché può decidere il regime dello strato d'aria intorno all'asta: quando lo rende turbolento il coefficiente di resistenza sale da circa 1,5, il valore laminare, a circa 2,6, e le frecce tirate da un'arciera esperta a 57-58 metri al secondo stanno sempre lì, fra 2,6 e 2,7. Alle velocità di una freccia da ricurvo, però, lo strato diventa turbolento anche senza flessione: sopra un numero di Reynolds di 19.000 il coefficiente è intorno a 2,5 con ogni modo di lancio, aria compressa compresa, e nell'unico esperimento che misura insieme flessione e resistenza l'ampiezza della flessione non ha nessuna relazione con la resistenza media. Anche più piano la flessione non è l'unica via, perché a una freccia che non flette basta un'inclinazione di poco più di mezzo grado. La flessione alza la resistenza dove lo strato potrebbe restare laminare; a velocità di gara il regime potrebbe essere già deciso, e su quel punto gli studi non sono d'accordo.

Formulata anche come: flessione della freccia e resistenza; freccia che oscilla in volo; resistenza aerodinamica della freccia; strato limite turbolento della freccia; coefficiente di resistenza della freccia

Evidenze

• 2011
  A favore Prove sull'attrezzatura Pubblicata dopo

  Galleria del vento a sospensione magnetica da 60 centimetri della JAXA e lanci in volo libero ripresi ad alta velocità, con frecce X10: le frecce tirate da un arciere hanno un coefficiente di resistenza circa 0,5 più alto del valore misurato in galleria, e gli autori lo attribuiscono alla flessione in volo.

  A10 Aerodynamic Properties of an Archery Arrow : JAXA's 60cm MSBS Experiments · Yuta Komori, Keita Mukaiyama, Takeshi Miyazaki, Hiroki Sugiura

• 2011
  Contro Prove sull'attrezzatura Pubblicata dopo

  Nello stesso lavoro anche le frecce lanciate ad aria compressa, che non prendono la flessione dell'arco, hanno un coefficiente circa il 20 per cento più alto della galleria a numeri di Reynolds fra 12.000 e 13.000, e gli autori lo attribuiscono a un assetto non controllato bene in uscita. La resistenza in più del volo libero compare anche senza flessione, quindi questo risultato va contro l'idea che sia la flessione ad alzarla.

  A10 Aerodynamic Properties of an Archery Arrow : JAXA's 60cm MSBS Experiments · Yuta Komori, Keita Mukaiyama, Takeshi Miyazaki, Hiroki Sugiura

• 2012
  A favore Prove sull'attrezzatura Pubblicata dopo

  Galleria del vento e volo libero con lanciatore ad aria, robot e arciera: la freccia A/C/E tirata da un arciere a 57 metri al secondo, numero di Reynolds 20.000, ha un coefficiente di resistenza di circa 2,6 con un errore relativo del 2,9 per cento, il valore dello strato turbolento, e il robot che flette la freccia dà lo stesso valore.

  117 Aerodynamic Properties of an Archery Arrow : Free Flight Experiments and JAXA's 60cm MSBS Experiments · Kyohei Okawa, Yuta Komori, Takeshi Miyazaki, Hiroki Sugiura

• 2012
  A favore Prove sull'attrezzatura Pubblicata dopo

  Articolo di rivista del gruppo, pubblicato online nel 2012: 36 tiri di un'arciera esperta di ricurvo con la freccia A/C/E a 58 metri al secondo danno un coefficiente di circa 2,65 a numero di Reynolds 20.000, contro circa 1,5 in galleria, e gli autori attribuiscono la turbolenza all'oscillazione della freccia uscita dall'arco. Lanciata ad aria compressa, senza flessione, la stessa freccia con punta a proiettile diventa turbolenta sopra 13.000, a circa 2,6, mentre con la punta affusolata dà due valori, circa 1,6 e circa 2,6.

  Aerodynamic properties of an archery arrow · Takeshi Miyazaki, Keita Mukaiyama, Yuta Komori, Kyouhei Okawa, Satoshi Taguchi, Hiroki Sugiura

• 2013
  Contesto Prove sull'attrezzatura Pubblicata dopo

  Atti di convegno del 2013 che riprendono i 36 tiri dell'arciera a 58 metri al secondo già pubblicati nel 2012 (coefficiente circa 2,65, errore relativo sotto il 3 per cento) e li affiancano al confronto fra alette: lanciata da una macchina, la freccia con alette Spin Wing diventa turbolenta, a circa 2,6, sopra una certa velocità, mentre con le GAS PRO lo strato resta laminare a ogni velocità provata. Gli autori ne concludono che l'oscillazione della freccia tirata con l'arco rende sempre turbolento lo strato. Sono gli stessi tiri, per questo la riga è contesto.

  Free Flight and Wind Tunnel Measurements of the Drag Exerted on an Archery Arrow · K. Okawa, Y. Komori, T. Miyazaki, S. Taguchi, H. Sugiura

• 2014
  A favore Prove sull'attrezzatura Pubblicata dopo

  Sotto le velocità di gara la flessione decide il regime: senza flessione, con l'aria compressa, il coefficiente è circa 1,5, il valore laminare, a numeri di Reynolds fra 10.000 e 11.000, e fra 13.000 e 18.000 salta fra due valori secondo l'angolo d'attacco; con una flessione ampia lo strato è sempre turbolento. Con lo sgancio meccanico il salto fra i due valori compare a 16.000.

  J0520102 Aerodynamic properties of an archery arrow : Influence of flexural oscillation · Ryu Ando, Kyouhei Okawa, Takeshi Miyazaki, Hiroki Sugiura

• 2014
  Contro Prove sull'attrezzatura Pubblicata dopo

  Alle velocità di gara la flessione non cambia la resistenza media: a numero di Reynolds intorno a 20.000 l'ampiezza della flessione non ha correlazione significativa con il coefficiente medio, e sopra 19.000 il coefficiente vale circa 2,5 con tutti e quattro i modi di lancio, aria compressa compresa. Coefficienti medi a quella velocità: 2,69 con gli arcieri, 2,67 con le dita meccaniche, 2,77 con lo sgancio, 2,51 con l'aria compressa; la freccia che non si flette resta un po' sotto, ma senza un legame con quanto si flettono le altre.

  J0520102 Aerodynamic properties of an archery arrow : Influence of flexural oscillation · Ryu Ando, Kyouhei Okawa, Takeshi Miyazaki, Hiroki Sugiura

• 2017
  Contesto Prove sull'attrezzatura Pubblicata dopo

  Articolo di rivista dello stesso gruppo. Un'arciera esperta tira con il suo ricurvo la freccia A/C/E, 36 frecce con alette Spin Wing e 36 con Gas Pro, a 58 metri al secondo, come nel protocollo del 2012: la freccia flette con un'ampiezza di 6,9 millimetri in punta e una frequenza di 87 hertz, che secondo gli autori dà alla punta un angolo d'attacco oscillante di circa 3,7 gradi, e lo strato limite risulta sempre turbolento, con un coefficiente di 2,68 con le Spin Wing e 2,63 con le Gas Pro e una dispersione di circa il 3 per cento. Gli autori ne fanno la causa della turbolenza. Nei lanci ad aria compressa, senza flessione, mostrano però che basta l'inclinazione della freccia: a un numero di Reynolds di 17.500 il coefficiente resta intorno a 1,5 solo se l'inclinazione massima, calcolata con una simulazione, sta sotto 0,4 gradi, e sale a circa 2,7 sopra 0,6. Lanciata ad aria compressa a un numero di Reynolds di 19.000-20.000, la freccia rigida dà già 2,6 con le Spin Wing e 2,7 con le Gas Pro, valori vicini a quelli dell'arciera; gli autori non mettono a confronto le due serie, e la riga resta contesto.

  Indeterminacy of drag exerted on an arrow in free flight: arrow attitude and laminar-turbulent transition · T Miyazaki, T Matsumoto, R Ando, J Ortiz, H Sugiura

Storia dello stato

1. 2011 Contestato Il primo confronto fra galleria del vento e volo libero: le frecce X10 tirate da un arciere hanno un coefficiente di resistenza circa 0,5 più alto di quello misurato in galleria, e gli autori lo attribuiscono alla flessione. Lo stesso lavoro trova però circa il 20 per cento in più anche nei lanci ad aria compressa, dove la freccia non si flette, e lo spiega con un assetto imperfetto in uscita. Lo studio va così in due direzioni: la resistenza in più del volo libero c'è con la flessione e c'è anche senza, per cui la flessione non ne risulta la causa: contestato.
2. 2012 Contestato Lo stesso gruppo misura la freccia tirata con l'arco: a 57 metri al secondo il coefficiente è intorno a 2,6, il valore dello strato turbolento, e un robot che fa flettere la freccia lo riproduce; in 36 tiri di un'arciera esperta a 58 metri al secondo è 2,65. Gli autori attribuiscono la turbolenza alla flessione. Nello stesso articolo, però, la freccia lanciata ad aria compressa, che non si flette, con la punta a proiettile diventa turbolenta da sola sopra un numero di Reynolds di 13.000, a circa 2,6: la flessione conta dove lo strato potrebbe restare laminare. Gli argomenti per la flessione come causa crescono, ma vengono dallo stesso laboratorio e la resistenza in più senza flessione trovata nel 2011 resta: contestato.
3. 2014 Contestato L'unico esperimento che misura insieme flessione e resistenza, con quattro modi di lancio, divide la risposta in due. Sotto le velocità di gara la flessione decide: senza, lo strato resta laminare a circa 1,5; con una flessione ampia è sempre turbolento. Alle velocità di un ricurvo, sopra un numero di Reynolds di 19.000, lo strato è turbolento con ogni lancio, aria compressa compresa, e l'ampiezza della flessione non ha nessuna relazione con la resistenza media. Proprio nell'intervallo che interessa all'arciere gli studi vanno in direzioni opposte: contestato.
4. 2017 Contestato Un articolo di rivista dello stesso laboratorio misura di nuovo la freccia tirata dall'arciera esperta, 36 tiri per tipo di aletta a 58 metri al secondo: flette di 6,9 millimetri in punta a 87 hertz, lo strato limite è sempre turbolento e il coefficiente sta fra 2,63 e 2,68, e gli autori ne fanno la causa della turbolenza. Gli stessi dati, però, mostrano che una freccia che non flette ci arriva da sola: lanciata ad aria compressa, a un numero di Reynolds di 17.500 resta intorno a 1,5 solo se l'inclinazione massima sta sotto 0,4 gradi e sale a circa 2,7 sopra 0,6, e a un numero di Reynolds di 19.000-20.000, quello dei tiri dell'arciera, dà già 2,6-2,7. La flessione resta una delle cause possibili, non l'unica, e alle velocità di gara il contrasto del 2014 non si scioglie: contestato.

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