Sensori di forza nel tiro con l'arco: impugnatura, corda, dita e pedane

Che cosa misura un sensore di forza

Un sensore di forza trasforma una deformazione in un numero. Negli studi sul tiro se ne trovano tre famiglie: gli estensimetri, griglie metalliche incollate su un pezzo che si piega, la cui resistenza elettrica cambia quando il metallo si allunga; le resistenze sensibili alla forza, lamine da meno di un millimetro che conducono di più quando vengono schiacciate; e le pedane di forza, piastre rigide che leggono la spinta dei piedi in tre direzioni. A differenza dell'elettromiografia, che registra l'attività dei muscoli, qui si legge direttamente una forza, ma soltanto nel punto in cui sta il sensore e nella direzione per cui è stato costruito.

L'impugnatura

Nel 1992 Martin e colleghi, primi nel registro a misurare la mano sull'impugnatura, fissarono con nastro biadesivo quindici resistenze sensibili alla forza sull'impugnatura di quindici ricurvisti statunitensi, otto di livello olimpico e sette meno forti, e tararono ogni sensore con nove carichi da 0 a 37,4 newton: delle 225 curve di taratura il 79% aveva un coefficiente sopra 0,96. Gli arcieri tirarono 72 frecce a 30 metri, ma ne furono registrate 18, a 40 Hz, cioè un campione ogni 25 millesimi di secondo.

I momenti con cui la mano farebbe ruotare l'arco, però, non furono misurati: furono stimati pesando ciascun sensore per una distanza approssimata, e i bracci di momento che ne uscirono sono numeri senza unità di misura. Con quella stima la distribuzione della pressione si legava al punto d'impatto in un arciere su quindici in verticale e in tre su quindici in orizzontale, da cui l'affermazione che la distribuzione della pressione non predice dove va la freccia. Quello che separava i due gruppi era la ripetibilità verticale da un tiro all'altro, più alta nei più forti (p = 0,045), base dell'affermazione sulla pressione più costante. Lo strumento cambiava anche l'attrezzo: gli arcieri sentivano l'impugnatura più grossa, pur dicendo che presa e tecnica non ne risentivano.

Nel 2007 un gruppo giapponese ha letto la mano attraverso l'arco. Koike e colleghi incollarono sei coppie di estensimetri sopra e sotto l'impugnatura di archi da kyudo costruiti apposta e li tararono su un banco con una cella di carico: la forza stimata dai sensori e quella letta dalla cella stavano sulla retta y = 0,99x + 0,82. Hanno tirato diciannove praticanti, ma i tracciati pubblicati sono di sei: lì il momento di spinta verso l'alto valeva fra 1 e 5 Nm e la torsione circa 0,6 Nm. La taratura è buona, la parte sperimentale molto meno, perché quei tracciati sono letti a occhio, senza statistica.

Per sapere che cosa fa una forza alla freccia, l'arciere si toglie di mezzo. Nel 2008 un banco meccanico con archi giapponesi ha variato la sola torsione dell'impugnatura, fino a circa 14 Nm, e a 28 metri il punto d'impatto si è spostato da un lato all'altro del bersaglio. È la misura più netta dietro l'affermazione sulla torsione che sposta la freccia, e ne mostra anche il limite: torsione e punto d'impatto, nello stesso tiro di un ricurvista, nel registro non li ha misurati nessuno.

La corda e il clicker

Nel registro nessuno ha messo un sensore sulla corda durante il tiro di un arciere. Gli estensimetri sull'arco, invece, sono i primi sensori di forza del registro: nel 1971 Kamei e colleghi ne usavano uno per seguire la tensione dell'arco in tre praticanti di kyudo, e negli studi di Nishizono del 1984 e del 1987 la deformazione dell'arco serviva a segnare l'istante del rilascio. La tensione della corda la leggono degli estensimetri soltanto in un apparato di lancio del 1997, dove non tira nessuno. Sugli arcieri, nella trazione finale, si è misurato uno spostamento. Leroyer nel 1993 usò un sensore di spostamento fissato all'impugnatura: negli ultimi 5 secondi prima del clicker la mano della corda arretrava di circa 5 millimetri. Nel 2006 Edelmann-Nusser e colleghi incollarono un estensimetro sulla lamina del clicker, che si flette di più o di meno secondo dove appoggia sulla punta rastremata, e su sette juniores il migliore portava indietro la freccia di circa 5 millimetri in due o tre secondi; lo stesso sistema, con la mira registrata insieme, torna in un secondo articolo sugli stessi arcieri. Nessuno dei due dà una taratura o un errore di misura. La storia completa sta nel filone sulla trazione finale.

Le dita

Anche qui manca la misura sull'arciere: gli studi con sensori sotto le dita usano telai che imitano un arco e persone che non tirano. Nel 2017 otto uomini premevano su quattro sensori a sei assi tenendo metà della loro forza massima, poi lasciavano. Nel 2023 un telaio d'arco in alluminio da 1,53 chili veniva tirato al 40% della forza massima delle dita da otto uomini senza esperienza di tiro. Il carico è una frazione di un libbraggio reale e la corda non scorre via dalle dita, ed è per questo che l'affermazione sui flessori delle dita prima del clicker si regge sull'elettromiografia e non su una forza.

Le pedane

Una pedana di forza dà due cose diverse: il percorso del centro di pressione, tema della pagina sulla posturografia, e le forze in sé, cioè quanto carico porta ciascun piede. Per le forze conta come sono messe le pedane. Con una pedana sola sotto i due piedi, nello studio del 2019 su 27 ricurvisti, la ripartizione fra le gambe non si può misurare, anche se la discussione dell'articolo ne parla. Con la pedana sotto il solo piede davanti, nel caso singolo del 2014, si vede metà del quadro: 44,12 chili di massimo su un arciere di 84. Serve una misura per piede, come in uno studio russo del 2023 su undici giovani arcieri: nella posizione abituale il carico pendeva verso la gamba davanti, del 7,83% nel compound e del 29,50% nel ricurvo, e con il piede davanti girato a T passava sulla gamba dietro. L'affermazione sul peso sulla gamba davanti è contestata, e i due studi contrari sono proprio quello con la pedana sotto un piede solo e quello che ricava il carico da una forza orizzontale.

Il controllo più semplice è sommare. Nello studio turco del 2010, con due pedane, prima del rilascio le gambe portavano 39,0 e 32,6 chili, insieme molto più del peso medio dichiarato delle arciere, 54 chili, e il lavoro non lo spiega: per questo il calo del carico al rilascio si vede, ma la sua misura è incerta.

Le pedane di pressione sono una matrice di piccoli sensori che dice dove sta il carico sotto la pianta: nei quindici compound dello studio sui plantari il 43,72% della pressione stava sotto il tallone del piede dell'arco, presupposto dell'affermazione sui plantari a sostegno dell'arco plantare. Le pedane servono anche a segnare il tempo: Spratford e colleghi segnavano il rilascio con un microfono, aiutandosi con il brusco cambiamento di momento che la pedana leggeva in tutti gli arcieri, e in uno studio francese con due pedane a 1.000 Hz il centro di pressione si spostava di 15-20 millimetri al rilascio, otto-dieci volte l'oscillazione in mira. Anche per questo le gambe durante il tiro sono quasi ferme, non ferme.

Che cosa controllare in uno studio con sensori di forza

• se la forza è misurata o stimata, e se c'è una taratura con il suo errore;
• dove sta il sensore, quanto cambia l'impugnatura o l'attrezzo, e a che frequenza è campionato rispetto ai millesimi del rilascio;
• per le pedane: una sotto i due piedi, una per piede o una sotto un piede solo, e se la somma dei carichi torna con il peso del corpo;
• se tira un arciere, una persona che simula o una macchina;
• quante persone e quante frecce, e se le frecce sono trattate come osservazioni indipendenti, come le 108 frecce di quattro arciere del 2010.

Disegno, campione e rivista si pesano come spiegato in Come leggiamo uno studio.

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