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Metodi di rilevazione della velocità dell’asta

15 Settembre 2009

 

        Vengono brevemente illustrati i metodi di rilevazione della velocità dell'asta dei quali mi servirò per le analisi balistiche. In particolare viene presentata la mia versione del metodo Brummer e si mostra come la rilevazione con tale dispositivo sia comparabile con la rilevazione cinematica delle videocamere ad alta velocità. Inoltre viene valutata l'influenza del sensore stesso sulla misura.

 

Introduzione

    Avendo collaborato per un periodo con il gruppo di ricerca dell’ing. Dapiran, ho avuto modo di assistere alle prove balistiche di alcuni Jedi contribuendo con sensori da me sviluppati. Ho potuto, così, valutare pregi e difetti delle apparecchiature utilizzate.

Per le sessione di prove balistiche ci siamo serviti in contemporanea delle seguenti attrezzature:

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una fotocamera digitale ad alta velocità (da 300 a 1200 fps)

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un sensore optoelettronico derivato dal sensore di velocità ideato dall’ing. Niko Brummer

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una coppia di cialde piezoelettriche

 Lo scopo di utilizzare varie apparecchiature è stato quello di confrontare le diverse tecniche e di validarle reciprocamente sfruttandole poi per le loro peculiarità.

 

La videocamera digitale ad alta velocità offre l’opportunità di studiare nel dettaglio la balistica interna ed esterna dell’arbalete apprezzando quei particolari che difficilmente si potrebbero intuire dalla sola registrazione delle velocità “istantanee”: fenomeni di spine dell’asta, cavitazione, rinculo e rilevamento, dinamiche degli elastici e degli archetti e così via.

Inoltre tramite una lunga e laboriosa analisi, come quella effettuata da Giorgio Dapiran e Fulvio Calvenzi a seguito delle loro prove condotte a Milano, è possibile estrarre, fotogramma per fotogramma, la velocità dell’asta al millesimo di secondo. Il rovescio della medaglia di questa tecnica è il tempo e lo sforzo richiesto per tirare fuori le misurazioni balistiche.

 Il sensore optoelettronico, invece, consente di ricavare solo le informazioni relative alla velocità dell’asta e degli elastici. Il vantaggio, però, che offre è quello di determinare con grande pulizia di lettura le velocità “istantanee” e, grazie al software che ho sviluppato, di ottenere in “tempo reale” le curve di velocità assieme ad altre notevoli informazioni per lo studio della balistica delle armi subacquee.

Un test di minore rilevanza è stato portato a termine usando una coppia di cialde piezoelettriche: come delle “cuffie” immerse in vasca per “ascoltare” l’istante in cui viene premuto il grilletto e l’istante in cui l’asta raggiunge il bersaglio. In tal modo si è determinata con un terzo metodo la durata complessiva del fenomeno.

 

Il sensore Brummer

Introduzione

Il sensore ideato dall’ingegnere sudafricano Niko Brummer è di fatto una sorta di contapezzi che sfrutta le proprietà di riflessione delle onde elettromagnetiche nel range dell’infrarosso.

Un diodo emettitore funge da sorgente IR. Un secondo diodo ricevitore acquisisce il fascio riflesso dal sagolino in dyneema. Se su questo sagolino vengono impresse delle marcature a distanze regolari con un pennarello indelebile, al loro passaggio sotto la coppia di diodi, il ricevitore rivelerà una modificazione nel segnale. Il segnale così ottenuto viene indirizzato alla scheda audio di un PC che, grazie alla sua elevata frequenza di campionamento, garantisce una acquisizione molto dettagliata del segnale.

 

Fig. 1. Schematizzazione dell'apparato di misura utilizzato dall'ing. Niko Brummer.

 

    In realtà la versione originale del sensore (quella sviluppata da Brummer e schematizzata in Fig. 1) presentava una lettura un po’ rumorosa, ma che, già così, definirei un risultato veramente notevole. Brummer stesso riferisce di tali fluttuazioni (vedi fig. 2): The measured graphs are not perfect. The small fluctuations are errors. The spear speed cannot fluctuate like that, but the line can perhaps. There are other sources of error as well, including imperfect spacing of my marks. Nevertheless, the curves are good enough to give us a very good idea of the spear behaviour in the water.”.

 

Fig. 2. Le curve rappresentano l'andamento sperimentale delle velocità dell'asta del roller-gun RG1. I valori di velocità sono stati rilevati tramite il dispositivo ideato dall'ing. Niko Brummer.

 

 Ho dovuto, quindi, rivedere e modificare il progetto originale per
    -          minimizzare imprecisioni, indeterminazioni e interferenze;
    -          offrire una lettura il più possibile pulita e precisa.

Per l’analisi automatica dei dati (fermo restando che è sempre possibile eseguirne una manuale che richiede circa 30 minuti a curva) ho utilizzato un algoritmo di determinazione della velocità differente da quello originale ma che, applicato ai tracciati audio di Brummer, ha comunque evidenziato come questi restino più rumorosi rispetto a quelli della mia versione dell’hardware.

 

Valutazione dei risultati di collaudo

         Il primo prototipo è stato collaudato in piscina a Milano il 14 Marzo del 2009. In quella occasione sono stati eseguiti test solo con il sensore optoelettronico per verificarne la funzionalità generale.

         Al fine di poter confrontare le rilevazioni con dei dati noti, i tiri sono stati effettuati con un modello di Jedi 106 equipaggiato con asta da 140 cm di lunghezza e 6.5 mm di diametro. E’ stata valutata la velocità dell’asta sia nel caso in cui il circolare è caricato alla seconda tacca sia nel caso in cui è caricato alla prima tacca.

        

Fig. 3. Porzione del tracciato audio di un tiro dello Jedi 106.

 

Le tracce audio (vedi fig. 3) si sono rivelate molto pulite e di conseguenza le curve di velocità sono risultate essere molto leggibili (vedi fig. 4).

 

Fig. 4. Le curve rappresentano l'andamento sperimentale delle velocità dello Jedi 106 caricando il circolare alla seconda e alla prima tacca. I tracciati sono stati ricavati servendosi del sensore optoelettronico.

 

Il dato piu’ importante e atteso, tuttavia, era il confronto con le curve di riferimento determinate con la videocamera a 1000 fps nel 2004 da Dapiran e Calvenzi (vedi fig. 5).

 

Fig. 5. La balistica dello Jedi 106 con asta da 6.5mm rilevata con il sensore optoelettronico e messa a confronto con l'analogo riferimento ottenuto con il metodo della telecamera a 1000 fps. Il sensore optoelettronico richiede necessariamente che l'asta sia armata con un sagolino, mentre con la telecamera si può rilevare anche la balistica dell'asta libera.

 

    Innanzitutto si può notare una elevatissima corrispondenza nella balistica interna dei due casi che sottolinea la ripetibilità delle performances degli Jedi e l’efficienza del metodo di rilevazione con i sensori optoelettronici. L’aumento della velocità durante la fase di contrazione degli elastici è identico, come è identico l’istante in cui l’asta abbandona gli archetti dopo essere giunta al suo picco massimo (al termine della fase di contrazione). E’ la stessa anche la velocità di eiezione.

Le differenze, invece, si fanno sensibili nella fase di balistica esterna, ovvero da quando gli archetti e l’asta si separano.

Questo era previsto e, soprattutto, è il punto cruciale per definire l’attendibilità dei dati ottenuti con questa sensoristica.  

Intendo dire che:

1.     ci si attendeva che il trascinamento di una sagola avrebbe dovuto rallentare la corsa dell’asta per via dell’aumentata superficie di attrito idrodinamico;

2.     ci si chiedeva quanto l’attrito della sagola con l’apparecchiatura di test avrebbe influito sul risultato del test stesso.

Infatti un requisito fondamentale cui deve sottostare la strumentazione è proprio quello di non interferire con la misura.

Per verificare questa circostanza ho misurato il tempo di volo dell’asta dall’istante in cui viene premuto il grilletto all’istante in cui la freccia colpisce un bersaglio posto a 380 cm di distanza dalla sua punta. A tal fine mi sono servito di una coppia di cialde piezoelettriche poste una sul meccanismo di sgancio e una sul bersaglio e collegate alla scheda audio di un laptop per registrare il rumore dello sgancio e quello dell’impatto. Questo sistema ha il vantaggio di non interferire minimamente con la balistica. Inoltre l'indeterminazione dovuta alla misura è estremamente contenuta. Con la coppia di cialde, infatti, diventano trascurabili gli errori sistematici dovuti alla propagazione del suono in acqua: in pratica entrambe le cialde ricevono il rumore dello sparo e dell'impatto con un ritardo infinitesimale. La risoluzione della scheda audio è tale da rendere anche l'indeterminazione riguardo all'individuazione degli istanti di inizio e fine volo ampiamente al di sotto del millesimo di secondo. Per cui si può prendere questo valore come massima indeterminazione possibile sulla rilevazione del tempo di volo. Analogamente l'errore commesso sulla rilevazione della distanza di volo è dell'ordine del mezzo centimetro. L'indeterminazione su un eventuale calcolo della velocità media sarebbe dello 0.6%.

Ho confrontato, quindi, il tempo di volo di tiri effettuati sia con l’asta libera sia con l’asta armata da due passate di monofilo del 140 (equivalenti alla lunghezza del filo tratteggiato usato nel sensore Brummer). Questi sono risultati mediamente dell’ordine di 190 ms e 216 ms rispettivamente. La presenza della doppia passata di monofilo, quindi, causa un rallentamento dell’asta che vale 26 ms circa su una gittata di 383 cm. Effettuando una analoga misurazione proiettando l’asta legata al filo del sensore optoelettronico si è ottenuto lo stesso tempo di volo. Inoltre ho voluto verificare su una gittata maggiore quale fosse la distanza percorsa dopo 216 ms. Il dato disponibile più vicino ha confermato che dopo 217.2 ms la punta dell’asta ha percorso 384.75 cm, assolutamente in linea con quanto rilevato con le cialde piezoelettriche (Fig. 6).

 

Fig. 6. Tracciato della distanza percorsa dalla punta dell'asta in funzione del tempo di volo registrato con il sensore optoelettronico. Dopo 217 ms l'asta ha percorso 385 cm confermando le stesse performances ottenute nel caso in cui il monofilo non scorre nel sensore, ma resta libero in acqua. Questa circostanza dimostra che il progetto è stato realizzato accuratamente e lo scorrimento della sagola all'interno dell'alloggiamento dei sensori non rallenta il moto dell'asta in modo rilevante.

 

Si può quindi concludere che un’asta armata normalmente con due passate di monofilo del 140 subisce lo stesso rallentamento che subisce quando lo stesso monofilo attraversa il sensore optoelettronico che, quindi, nelle opportune condizioni sperimentali, non influisce con il tiro.

    Sulla base di questo risultato ho ritenuto di andare avanti con lo sviluppo di tale apparecchiatura di rilevazione e di servirmene per indagare vari aspetti della balistica degli arbaletes che di volta in volta presenterò su questo sito.

    E' doveroso aggiungere che questa attrezzatura è stata poi impiegata anche nella vasca di tiro dell'ing. Dapiran, ma, non essendo stata sviluppata a questo scopo, ha mostrato diverse problematiche tanto che non si sono ottenuti più di un paio di tiri utili. Queste limitazioni sono state rimosse ed ho realizzato una seconda versione adatta alle vasche di tiro.

 

 Arba Arba

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