復(fù)合弓為什么越拉越省力？

第一次去靶場(chǎng)或戶外營(yíng)地體驗(yàn)復(fù)合弓的小伙伴肯定都有這樣的經(jīng)歷：當(dāng)我們?cè)诶倪^(guò)程中會(huì)存在一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即達(dá)到一定的拉距后，持弓所需的力會(huì)顯著減小，像有人在背后悄悄幫你一起拉弓。這究竟是為什么呢？復(fù)合弓的原理是怎樣的？又是如何做到越往后拉越省力的呢？今天，我們就來(lái)一探究竟！

復(fù)合弓（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

早期弓箭的原理是怎樣的？

在介紹復(fù)合弓之前，我們先來(lái)看看早期的弓箭是如何工作的。我們可以把早期的弓箭想象成一根會(huì)彎的彈簧梁。當(dāng)人向后拉弦時(shí)，弓臂逐漸被壓彎，木材或復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生彈性形變，相當(dāng)于把你的肌肉做功儲(chǔ)存在弓里；一旦松弦，弓臂迅速回彈，把弓弦向前推，進(jìn)而把箭加速射出。

古裝劇中使用的弓箭（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

由于弓臂越往后彎曲得越厲害，材料的反作用力也隨之增加，傳統(tǒng)弓的拉力通常會(huì)呈現(xiàn)出越拉越費(fèi)力的特征：拉到后段時(shí)最吃力，而在完全拉滿并準(zhǔn)備瞄準(zhǔn)的幾秒鐘里，射手還必須持續(xù)頂住接近峰值的拉力。這種高負(fù)荷的條件會(huì)讓我們的手臂更容易顫抖，也更容易把呼吸起伏與疲勞累積帶來(lái)的細(xì)微動(dòng)作放大到瞄準(zhǔn)端，影響射箭的穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)弓的拉力曲線（圖片來(lái)源：[1]）

復(fù)合弓的結(jié)構(gòu)與工作原理

復(fù)合弓并沒(méi)有改變弓箭最本質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換路徑：拉弓時(shí)把人體做功轉(zhuǎn)化為弓臂的彈性勢(shì)能，放箭時(shí)再把勢(shì)能盡可能高效地轉(zhuǎn)移給箭。它真正的創(chuàng)新之處在于把人手直接對(duì)抗弓臂彈性的過(guò)程，轉(zhuǎn)換為通過(guò)偏心輪與鋼索改變受力分配，從而塑造拉力曲線，讓射手在滿拉瞄準(zhǔn)階段不必持續(xù)承受峰值力量。

復(fù)合弓的結(jié)構(gòu)組成（圖片來(lái)源：[3]）

從結(jié)構(gòu)組成看，復(fù)合弓主要由弓把、弓臂、弓弦、鋼索以及弓梢處的偏心輪構(gòu)成。弓把是整把弓的剛性骨架，承擔(dān)握持與附件安裝，并為幾何對(duì)準(zhǔn)提供穩(wěn)定基準(zhǔn)；弓臂是關(guān)鍵的儲(chǔ)能部件，負(fù)責(zé)在拉弓時(shí)產(chǎn)生彈性變形并儲(chǔ)能；弓弦直接連接并推動(dòng)箭，鋼索則用于約束弓梢運(yùn)動(dòng)、聯(lián)動(dòng)兩端的輪組，使系統(tǒng)在拉弓與回彈時(shí)保持正確的幾何關(guān)系。輪組把弓臂、弓弦與鋼索連接成一個(gè)整體的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使得弓臂在被壓彎儲(chǔ)能的同時(shí)，輪組也會(huì)同步轉(zhuǎn)動(dòng)。

為什么越往后拉越省力？

復(fù)合弓之所以會(huì)出現(xiàn)“越拉越省力”的體驗(yàn)，關(guān)鍵并不在于弓臂到了后段就不再繼續(xù)變形；相反，弓臂仍在持續(xù)被壓彎、繼續(xù)儲(chǔ)存能量。真正的差別來(lái)自弓梢處的偏心輪：它不是等半徑的圓輪，而是一種輪廓隨轉(zhuǎn)角變化的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。相比之下，如果使用普通圓輪，弓弦繞行半徑恒定，傳動(dòng)比基本固定，射手手上感受到的拉力就會(huì)像傳統(tǒng)弓箭一樣隨著弓臂的彎曲程度一路增加。而偏心輪的輪廓在不同轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)不同的等效半徑與力臂，從而動(dòng)態(tài)改變機(jī)械優(yōu)勢(shì)。

復(fù)合弓的偏心輪運(yùn)動(dòng)示意（圖片來(lái)源：[2]）

因此，復(fù)合弓的拉力曲線通常是這樣的：拉弓前段，凸輪處在機(jī)械優(yōu)勢(shì)不明顯的區(qū)間，射手需要更直接地對(duì)抗弓臂彈性，拉力迅速上升并到達(dá)一個(gè)峰值；當(dāng)繼續(xù)后拉，凸輪轉(zhuǎn)入另一段輪廓，繩路走向、受力角度以及力臂關(guān)系發(fā)生變化。此時(shí)弓臂依舊在增加儲(chǔ)能，但由于有了傳動(dòng)比的幫助，射手手上需要承擔(dān)的拉力反而開(kāi)始下降。這就是為什么復(fù)合弓越往后拉越省力的原因。

復(fù)合弓的拉力曲線（藍(lán)色曲線代表一張強(qiáng)勁的復(fù)合弓，而綠色曲線則代表一張更易于操控的復(fù)合弓）（圖片來(lái)源：[1]）

同時(shí)，偏心輪系統(tǒng)通常會(huì)搭配“止檔”來(lái)限定滿拉位置。你可以把止檔理解為一個(gè)機(jī)械限位器：當(dāng)弓拉到預(yù)設(shè)的終點(diǎn)時(shí)，它會(huì)像頂?shù)綁σ粯影研谐炭ㄗ。嬖V你已經(jīng)拉滿了。這樣一來(lái)，滿拉點(diǎn)不再是憑感覺(jué)去找的，而是每次都會(huì)落在同一個(gè)位置，重復(fù)性更高。射手也不需要在后段越來(lái)越重、還不確定何時(shí)到頭的拉力里硬撐，而是可以更穩(wěn)地停住并進(jìn)入瞄準(zhǔn)。由于此時(shí)保持所需的力量更小、身體更不容易緊繃，手臂抖動(dòng)和疲勞帶來(lái)的細(xì)微晃動(dòng)也就不那么容易被放大，從而更有利于后續(xù)的精確瞄準(zhǔn)與穩(wěn)定撒放。

偏心輪系統(tǒng)中的“止檔”（Cable Stop）部件（圖片來(lái)源：[4]）

總結(jié)來(lái)說(shuō)，復(fù)合弓之所以會(huì)在拉到后段變得更省力，是因?yàn)橥馆喤c鋼索系統(tǒng)組成了一個(gè)隨拉距變化的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。它讓射手在前中段用更大的力讓弓臂充分儲(chǔ)能，在接近滿弓時(shí)顯著降低保持力，從而讓瞄準(zhǔn)更穩(wěn)定、動(dòng)作更可重復(fù)。原來(lái)我們的生活中處處都有力學(xué)的身影：從自行車變速器通過(guò)齒輪比改變踩踏難度，到千斤頂用結(jié)構(gòu)換取省力，再到復(fù)合弓用凸輪輪廓重塑拉力曲線，本質(zhì)都是在做同一件事——把人能承受的力量與位移，重新分配到更合理的區(qū)間。

參考文獻(xiàn)

[1]https://www.outsideonline.com/outdoor-gear/tools/how-compound-bows-work/

[2]https://lancasterarchery.com/blogs/archery-tips/what-is-compound-bow-let-off?

[3]https://www.bowhunting.com/compound-bow-diagram/

[4]https://www.fieldandstream.com/outdoor-gear/hunting/bow-hunting/compound-bows/parts-of-a-compound-bow

來(lái)源：力學(xué)科普

編輯：東君

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