MEZOLITYCZNY ŁUK Z WIĄZU

(artykuł dla Tracker Camp)

Łuk z Holmegaard (Dania) jest jednym z najstarszych znalezisk archeologicznych z dziedziny łucznictwa. Pochodzi z VII –ego tysiąclecia p.n.e., czyli jest to artefakt sprzed ponad 9-ciu tysięcy lat. Laikowi przedmiot ten może wydawać się nieinteresującym kawałkiem drewna, niemniej jednak, osoba obeznana z mechaniką i fizyką działania łuku, po wnikliwej analizie przedmiotu stwierdzi, że konstrukcja ta jest jednym z najwcześniejszych świadectw geniuszu umysłu ludzkiego. Jeśli uważamy, że ludzie epoki kamienia nie wiedzieli nic o fizyce i mechanice, to przyjrzyjmy się konstrukcji tego łuku. Łęczysko jest wykonane z drewna wiązowego – z pnia o raczej niewielkiej średnicy. Ponieważ grzbiet łuku (strona skierowana ku celowi w czasie strzelania) powinien stanowić jeden nieprzerwany i nieuszkodzony słój, więc uzyskujemy go, po prostu zdejmując korę z pnia. W przypadku pnia o niewielkiej średnicy powierzchnia tak uzyskanego gotowego grzbietu łuku będzie zaokrąglona, co teoretycznie jest wadą. Badacze znaleziska z 1943 roku początkowo wysnuli nawet teorię, że zaokrąglona powierzchnia stanowiła nie grzbiet, lecz brzusiec łuku a tym samym, że łuk był wykonany niejako „na odwrót”, co też było spójne z powszechnym mniemaniem o „ciasnej” umysłowości ludzi mezolitu i neolitu. Badacze ci znali dobrze tylko jeden typ łuku – długi łuk angielski, który, jak wiadomo, cechuje się płaskim grzbietem oraz zaokrąglonym - „wysokim” brzuścem. Rzeczywiście taki przekrój łuku jest dobrze dopasowany do materiału z jakiego „English longbow” najczęściej jest wykonany, a więc z cisu, którego warstwa twardzielowa jest bardzo wytrzymała na siły zgniatające (działające na brzusiec łuku). Okazuje się jednak, że w przypadku drewna wiązowego sytuacja jest całkowicie odmienna. Włókna tego drewna są bardzo odporne na siły rozciągające (działające na grzbiet łęczyska), lecz wykazują znacznie mniejszą wytrzymałość na zgniatanie. Tak więc, konstrukcja o zaokrąglonym grzbiecie i całkowicie płaskim brzuścu jest idealnie dopasowana do właściwości drewna wiązowego, gdyż w tym wypadku odpowiednio większa ilość materiału brzuśca jest w stanie zrównoważyć siły występujące po drugiej stronie łęczyska, czyli na grzbiecie łuku. Przyjrzyjmy się mechanice pracy łuku. Z reguły łuk jest sprężyną płaską, odpowiednio ugiętą w celu założenia nierozciągliwej i wytrzymałej cięciwy. Łuk prosty (zwróćmy uwagę na pozorną sprzeczność tkwiącą w tej nazwie) powinien być prosty po zdjęciu cięciwy. W takiej pozycji spoczynkowej jest przechowywany. Cięciwa jest zakładana bezpośrednio przed planowanym strzelaniem a zdejmowana zaraz po nim (widok łuków z założonymi cięciwami, opartych o ścianę lub wiszących na gwoździach w nią wbitych, to już kreatywne działania filmowców). Im bardziej prostą linię stanowi łęczysko po zdjęciu cięciwy, tym lepiej, gdyż do założenia cięciwy musimy je wtedy mocniej ugiąć, działając większą siłą a tym samym wstępna kumulacja energii w łęczysku jest większa, zaś sama praca układu „łęczysko – cięciwa” podczas naciągania łuku, a przede wszystkim podczas strzału będzie wtedy przy danej sile naciągu łuku bardziej liniowa. Przypadkiem odwrotnym będzie łęczysko trwale odkształcone, które do założenia cięciwy będzie wymagało nieznacznego tylko ugięcia. Nawet jeśli taki łuk będzie miał przy danej długości strzały siłę naciągu rzędu 65 lb (ok. 30kg), to oddawał będzie energię strzale tylko na początku jej drogi po zwolnieniu cięciwy, natomiast w chwilę przed uwolnieniem się z cięciwy strzała będzie poruszać się już tylko głównie siłą inercji. (Istnieje też teoria, że ciężkie ramiona łuku same pod koniec drogi poruszają się siłą inercji a tym samym poruszają cięciwę i strzałę, ale jednocześnie takie ciężkie ramiona odpowiednio wolniej nabierają prędkości na początku swej drogi po zwolnieniu cięciwy). Reasumując – lekkie ramiona i lekka cięciwa dobrze wykonanego łuku z odpowiedniego gatunku drewna o odpowiedniej jakości i wilgotności, prostującego się po zdjęciu cięciwy dadzą strzale znacznie więcej energii niż trwale odkształcone ciężkie łęczysko łuku nawet o znacznie większej sile naciągu przy danej długości naciągu (np. 28 cali). Tu warto wspomnieć o łukach refleksyjnych, które po zdjęciu cięciwy wyginają się w drugą stronę, więc do założenia cięciwy wymagają przegięcia w stronę przeciwną, stąd wstępna kumulacja energii po założeniu cięciwy jest przy danej sile naciągu łuku większa, a przyrost siły potrzebnej do naciągnięcia łuku będzie bardziej liniowy a tym samym również bardziej liniowo będzie ta energia przekazywana strzale po uwolnieniu cięciwy. Niestety w przypadku łuku drewnianego raczej nie będziemy mieć do czynienia z refleksem. Można w pewnym zakresie wykonać taki refleks sztucznie (np. wyginając drewno po ogrzaniu, lub potraktowaniu gorącą parą), ale polecam znalezienie pnia o naturalnym lekkim „refleksie”. Pod pojęciem „refleksu” należy tu rozumieć nie tylko wygięcie samych końcówek ramion przyszłego łuku ku przodowi (przed linię rękojeści w pozycji spoczynkowej, czyli bez cięciwy), lecz również punktowe wygięcie w samej rękojeści, podczas gdy ramiona pozostają proste a ich końcówki są wysunięte przed linię rękojeści, a także równomierne wygięcie na całej długości (najczęściej spotykane naturalne wygięcie pnia). Łuk, moim zdaniem, był nie tylko wynalazkiem, lecz w pewnym sensie także odkryciem. Otóż, by łęczysko gięło się równomiernie na całej długości, musi być tak wystrugane, by jego środkowe partie były grubsze i/lub szersze a końcówki cieńsze i/lub węższe. Jeśli bowiem zaczniemy wyginać np. kij od szczotki, to ponieważ ma on równy przekrój na całej długości, będzie giął się głównie w swej środkowej części (co w konsekwencji oczywiście doprowadzi do szybkiego jego pęknięcia). Mamy tu do czynienia z powszechnie znanym zjawiskiem dźwigni (im dalej od środka sprężyny -w tym wypadku - kija, tym działanie dźwigni maleje, a więc przekrój tej sprężyny może i powinien też być mniejszy). Jeśli obejrzymy poprawnie wykonany łuk, to stwierdzimy, że ramiona w okolicach gryfów (rowków cięciwy) mają bardzo mały przekrój (są cienkie i/lub wąskie). W skrajnych przypadkach (jeśli rzemieślnik – konstruktor łuku zna się na swym rzemiośle) ich przekrój może nawet przypominać swą grubością strzałę łuczniczą. Tak powinno być, by łuk wyginał się równomiernie. Co uzyskujemy wtedy jako „bonus”? Końcówki ramion są lekkie, więc cięciwa o odpowiedniej wytrzymałości może być cieńsza a tym samym lżejsza. Jeśli części łuku, które w czasie strzału pokonują najdłuższą drogę są lekkie, to cechują się odpowiednio mniejszą inercją – szybciej wprawiają się w ruch, więcej energii zostanie przekazane strzale, która opuści łuk z większą prędkością początkową, poleci dalej lub odpowiednio grubszy cel będzie w stanie przebić. Jeśli powyższe rozważania uważnie przeanalizować, to można dojść do wniosku, że w pewnym sensie idea łuku istniała zawsze. Należało ją tylko odkryć a dokonał tego „prymitywny” człowiek wiele tysięcy lat temu. Przy okazji warto zauważyć, że łuk jest pierwszą bronią miotającą. W polskim bronioznawstwie (w przeciwieństwie do np. amerykańskiego lub brytyjskiego) za pierwszą broń miotająca uważa się procę. Mam tu na myśli procę odśrodkową, czyli kawałek skórki ze sznurkami. Ten wynalazek możemy jednak umieścić w tym samym dziale, co miotacz oszczepów, gdyż nie ma tu miejsca kumulacja energii (układ mechaniczny procy wymaga stałego jej dostarczania poprzez wprawianie w ruch wirowy do momentu rzutu), dlatego możemy tu mówić raczej o wsparciu rzutu pocisku miotanego ręcznie. Dopiero broń, wewnątrz której zachodzi zjawisko kumulacji energii (mechanicznej – łuk, kusza, broń pneumatyczna lub np. chemicznej – broń palna, rakietowa) możemy uważać za broń miotającą w pełnym tego słowa znaczeniu. Oczywiście proca gumowa (drewniane lub metalowe widełki, skórka i dwa paski gumy) wyczerpuje definicję broni miotającej, niemniej jednak, z powodu konieczności znajomości metod obróbki kauczuku pojawiła się bliżej czasów nam współczesnych. Powróćmy jednak do naszego łuku z Holmegaard. Jak widać na zamieszczonym rysunku, przyśrodkowa część łęczyska jest szeroka i płaska, natomiast w zasadzie od połowy swej długości ramiona są wąskie, ale przy tym stosunkowo grube. Rekonstrukcje tego artefaktu pokazały, że takie ramiona wyginają się głównie tylko w płaskiej – przyśrodkowej części, podczas gdy wąskie i dość grube partie końcowe ramion pozostają sztywne. Projekt wydaje się czytelny, jeśli wziąć pod uwagę, że końcówki ramion powinny być lekkie, ale dlaczego mają pozostawać sztywne? Przez długi czas zamysł konstruktora sprzed 9-ciu tysięcy lat pozostawał zagadką. Odpowiedź przyniosła dopiero wnikliwa analiza mechaniki pracy łuku. Jak już wspomniałem, podstawowym zjawiskiem (poza samą sprężystością materiału) wykorzystanym przy konstrukcji łuku jest dźwignia. Naciągając cięciwę łuku działamy dźwignią na jego łęczysko a po uwolnieniu cięciwy ramiona również działają dźwignią na cięciwę i za jej pośrednictwem na strzałę. Zakres działania dźwigni, jak wiadomo, zależy od kąta i długości ramienia dźwigni. Niestety podczas naciągania łuku zjawisko dźwigni stopniowo ulega redukcji, ponieważ zwiększa się kąt przyłożenia (cięciwa oddala się od ramion) a także skraca się prosta jaką wirtualnie możemy poprowadzić od gryfu (punktu zaczepienia cięciwy) do geometrycznego środka długości łęczyska. Linia ta ulega skróceniu, ponieważ ramię łuku ulega wygięciu. Redukcja dźwigni skutkuje w końcowej fazie naciągania łuku lawinowym (i niestety bezproduktywnym) przyrostem siły potrzebnej do dalszego odciągnięcia cięciwy, mimo że w wielu wypadkach ramiona łuku nie zbliżają się jeszcze do swego limitu sprężystości i wytrzymałości. Łucznik odbiera to zachowanie łuku jako nieprzyjemne zjawisko sztywności łęczyska połączone z subiektywnym wrażeniem, że po przekroczeniu tej granicy nastąpi pęknięcie łęczyska, co zniechęca do użycia dłuższej strzały, a jak już wspomniałem, im dłuższa droga po której strzała jest napędzana, tym prędkość początkowa tego pocisku jest większa. Oczywiście często to zjawisko „geometrycznej blokady” idzie w parze ze zbliżaniem się do granicy wytrzymałości łęczyska, ale faktycznie nie ma z nim wiele wspólnego. Można to udowodnić poprzez wykonanie krótkiego łuku prostego laminowanego z wykorzystaniem włókien szklanych, którego wytrzymałość na złamanie będzie bardzo duża, a mimo to, w końcowej fazie naciągania łuku będziemy mieć wrażenie, że za chwilę łuk „eksploduje”. Jak można poradzić sobie ze zjawiskiem faktycznego skracania długości ramion w czasie pracy łuku? Najprostszym sposobem jest wykonanie łuku o dużej długości. Wtedy długość naciągu łuku (długość strzały) będzie stanowiła odpowiednio mniejszy procent długości łęczyska i zjawiska „blokowania” pod koniec naciągania łuku raczej nie odczujemy, Jednak wykonanie łuku długiego wymaga odpowiednio długiego materiału o dobrej jakości, lecz o taki w praktyce często bardzo trudno. Ponadto, łęczysko łuku długiego jest siłą rzeczy cięższe a tym samym prędkość początkowa strzały będzie odpowiednio mniejsza. Niebagatelną zaletą łuku o mniejszej długości jest też wygoda jego użytkowania. Długie łęczysko utrudnia np. manewrowanie w zaroślach i między drzewami w czasie polowania oraz jest bardziej widoczne dla zwierzyny, a pamiętać należy, że człowiek epoki kamienia był przede wszystkim łowcą, zaś dopiero w dalszej kolejności wojownikiem. Studiując mechanikę pracy azjatyckiego łuku refleksyjnego odkryjemy, w jak genialny sposób poradzono sobie z niekorzystnym zjawiskiem skracania się ramienia przy zachowaniu niewielkiej długości łuku (a tym samym poręczności w użytkowaniu – zwłaszcza podczas jazdy konnej). Otóż łuk azjatycki – poza refleksem, czyli odgięciem w stronę przeciwną po zdjęciu cięciwy posiada tzw. ‘recurve’, czyli ramiona po założeniu cięciwy są ku końcowi wygięte najpierw w kierunku strzelca a następnie w kierunku celu („refleks” i ‘recurve’ są często ze sobą niesłusznie mylone – zapewne dlatego, że w przypadku łuku azjatyckiego mamy do czynienia jednocześnie i z jednym, i z drugim). To drugie wygięcie podczas naciągania łuku niejako „odwija się” w kierunku łucznika, kompensując tym samym skrócenie linii wirtualnie poprowadzonej od gryfu do środka rękojeści powodowane przez wyginanie się przyśrodkowej części ramion. Co z kolei zrobić, gdy nie dysponujemy możliwością wykonania kompozytu rogowo-drewniano-ścięgnistego? Jeżeli teoretycznie rozpatrywać projekt łuku o całkowicie sztywnych (nie uginających się) ramionach, a w miejsce tego ugięcia zaraz nad i pod rękojeścią będzie zamontowany zawias zaopatrzony w odpowiednią sprężynę, to podczas naciągania cięciwy takiego łuku linia poprowadzona od gryfu do podstawy ramienia (u rękojeści) nie będzie się skracała i będzie się pokrywać z ramieniem, które będzie pozostawało zupełnie proste. Tym samym redukcja zjawiska dźwigni będzie miała miejsce w znacznie mniejszym stopniu. Oczywiście jest to przykład wyłącznie teoretyczny, choć pewnie możliwy do zrealizowania z wykorzystaniem nowoczesnych technologii. Przyjrzyjmy się teraz ponownie łukowi z Holmegaard. Szeroka i płaska (pracująca – wyginająca się) połowa ramienia jest w pewnym sensie właśnie zawiasem umieszczonym jak najbliżej rękojeści. Faktyczne skracanie się długości ramienia ma tu miejsce w znacznie mniejszym stopniu, niż następowałoby w przypadku ramion wyginających się na całej długości. W tym przypadku jest to bardzo ważne, gdyż Holmegaard należy zaliczyć do łuków raczej krótkich. Kto podpowiedział łowcy sprzed 9-ciu tysięcy lat jak wykonać łuk zgodnie z prawami geometrii, fizyki i mechaniki, które zostaną opisane dopiero parę tysięcy lat później? Zapewne jego ojciec, którego z kolei nauczył jak wykonuje się łuk jego ojciec. Projekt ten pewnie powstawał na przestrzeni wielu pokoleń poprzez ciągłe udoskonalanie metodą prób i błędów, choć raczej nie będzie nam nigdy dane tego prześledzić, gdyż łuki drewniane są z kilku powodów bardzo rzadkim znaleziskiem. Niewątpliwie łuk z Holmegaard należy uznać za najbardziej genialny projekt łuku wykonanego z jednego kawałka drewna aż do czasów nam współczesnych. Wykonując replikę łuku z Holmegaard należy zwrócić uwagę na kilka szczegółów. Przede wszystkim należy zaopatrzyć się w odpowiedni materiał. Polecam tu pień wiązowy o średnicy 15-20 cm. Można taki łuk wykonać również z drewna hikorowego. Innych gatunków w tym wypadku raczej nie polecam, gdyż ważny tu jest stosunek wytrzymałości materiału na siły rozciągające do wytrzymałości na siły zgniatające. Oczywiście łuk taki musi być wykonany zgodnie ze sztuką, a więc m.in. z zachowaniem nie zaburzonego przebiegu włókien drewna wzdłuż całego łęczyska. Materiał powinien być naprawdę dobrze wysezonowany, by łęczysko nie „ułożyło się za cięciwą”, czyli nie odkształciło trwale już w początkowej fazie użytkowania (a nawet zanim użytkowanie nastąpi). Część pracująca ramion może być bardziej płaska oraz szersza, niż miało to miejsce w przypadku artefaktu. Oczywiście na większą szerokość ramion możemy sobie pozwolić, gdy dysponujemy pniem o nieco większej średnicy (np. 20 cm). Takie szerokie i płaskie ramiona zapewnią dłuższą żywotność łuku a przede wszystkim zapobiegną nadmiernemu trwałemu odkształceniu łęczyska (układaniu się go za cięciwą). Jeśli nie zależy nam na idealnej zgodności z oryginałem, to sztywne końcówki ramion mogą być grubsze niż strefa pracująca ramion (czyli węższe, ale grubsze niż miało to miejsce w przypadku oryginału). Kształt gotowego łuku (tzw. tiller) w pełnym napięciu wygląda na pierwszy rzut oka nietypowo, a wręcz wadliwie. Łuk zdaje się giąć zbyt mocno w okolicach rękojeści, niemniej jednak jest to w tym wypadku naturalne i stanowi o wyjątkowości tego projektu. Długość naciągu (czyli realna długość strzały) łuku o wymiarach podanych na rysunku nie powinna przekraczać 26 cali (66 cm). Jarosław Jankowski Bowmaker