Kleine Pfeil- und Bogenphysik

Betrachtet man die Physik des Bogenschießens, dann muss man feststellen, dass es dabei ein komplexes Zusammenspiel von Kräften gibt. Im Zentrum dieser Physik steht die Energieübertragung. Wird ein Bogen gespannt, wird die gespeicherte Energie in den Wurfarmen aufgebaut. Diese ist eine Form potenzieller Energie. Beim Loslassen der Sehne wird diese gespeicherte Energie auf den Pfeil übertragen und beim Vorschnellen des Pfeils in kinetische Energie umgewandelt.

Das 2. Newtonsche Gesetz
Newtons zweites Bewegungsgesetz besagt, dass die auf ein Objekt wirkende Kraft (F) gleich der Masse (m) dieses Objekts multipliziert mit seiner Beschleunigung (a) ist, oder als Formel: F = m.a. Im Wesentlichen ist dieses Gesetz für die Physik des Bogenschießens von entscheidender Bedeutung.

Kraft auf den Pfeil: Wenn man die Sehne loslässt, wird eine Kraft auf den Pfeil ausgeübt. Diese Kraft entsteht durch die in den Wurfarmen gespeicherte Energie, die beim Lösen auf den Pfeil übertragen wird. Die Größe dieser Kraft wird durch das Zuggewicht des Bogens und die Effizienz, mit der der Bogen Energie auf den Pfeil übertragen kann, bestimmt. Eine effektive Energieübertragung erfolgt aufgrund der Bauweise des Bogens. Diese zeigt, wie gut ein Bogen gespeicherte Energie in kinetische Energie umwandelt.

Beschleunigung: Diese Kraft bewirkt die Beschleunigung des Pfeils. Die Masse des Pfeils bestimmt, wie stark er beschleunigt wird. Ein leichterer Pfeil beschleunigt (bei gleicher Kraft) stärker als ein schwererer Pfeil, wird jedoch möglicherweise stärker von externen Faktoren wie Wind beeinflusst.

Kontrolle und Präzision: Durch die Anpassung des Zuggewichts und die Wahl des richtigen Pfeilgewichts kann man die Kraft und Beschleunigung beeinflussen, um die gewünschte Geschwindigkeit und Flugbahn zu erreichen. Es müssen also Zugstärke, Pfeilgewicht und Auszug des Schützen zusammenpassen.

Kinetische und potenzielle Energie
Das Wesentliche beim Bogenschießen ist, wie die Umwandlung von potenzieller Energie in kinetische Energie passiert. Zieht man den Bogen, wird potenzielle Energie in den Wurfarmen gespeichert. Diese Energie ähnelt der einer Spiralfeder, die gespannt ist. Beim Lösen der Sehne wird potenzielle Energie in kinetische Energie umgewandelt.
Die kinetische Energie des Pfeils hängt von zwei Dingen ab: Von der Geschwindigkeit und der Masse. Ein schwerer Pfeil hat mehr kinetische Energie, bewegt sich aber möglicherweise langsamer. Ein leichter Pfeil bewegt sich schneller, aber mit weniger Kraft.
Für das Bogenschießen bedeutet das, dass die Pfeile die richtige Kombination aus Geschwindigkeit und Kraft optimieren müssen. Damit kann man den passenden Bogen, das Zuggewicht und den richtigen Pfeil auswählen. Dabei hängt es aber von den eigenen Zielen ab. Will man Reichweite, Präzision oder Geschwindigkeit.

Zuggewicht und Effizienz
Das Zuggewicht und die Effizienz sind entscheidend für das Verständnis der Physik eines guten Treffers. Das Zuggewicht ist ein Maß für die Kraft, die man aufbringen muss. Ein höheres Zuggewicht bedeutet im Allgemeinen, dass bei vollem Auszug mehr potenzielle Energie in den Wurfarmen gespeichert wird. Die Qualität eines Schusses liegt jedoch nicht nur im Zuggewicht, sondern auch darin, wie effizient die gespeicherte Energie auf den Pfeil übertragen wird.
Hier kommt dann die Effizienz eines Bogens ins Spiel. Diese ist ein Maß dafür, wie gut ein Bogen die gespeicherte Energie in kinetische Energie umwandelt. Nicht die gesamte Energie, die bei vollem Auszug im Bogen gespeichert ist, wirkt beim Abschuss auf den Pfeil. Ein Teil der Energie geht aufgrund von Faktoren wie Reibung, der Steifheit der Wurfarme und dem Biegewiderstand des Pfeilschafts verloren.
Ein Bogen mit hoher Effizienz minimiert diese Verluste und stellt sicher, dass ein größerer Teil der gespeicherten Energie effektiv zum Abschuss des Pfeils genutzt wird.
Es geht letztendlich darum, die perfekte Abstimmung zwischen der Kraft des Schützen, der Mechanik des Bogens und der Dynamik des Pfeils zu finden.

Die elastische Natur des Bogens
Die Elastizität eines Bogens ist ein weiterer wichtiger Aspekt, bei dem die Physik eine zentrale Rolle spielt. Die Wurfarme eines Bogens sind elastisch, das heißt, sie können sich biegen und in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Hier spielen zwei wichtige physikalische Prinzipien eine Rolle.

Das Hookesche Gesetz: Dieses Gesetz besagt, dass die Ausdehnung oder Kompression einer elastischen Feder direkt proportional zur auf sie wirkenden Kraft ist. Mit anderen Worten, wenn eine Feder gedehnt oder zusammengedrückt wird, ist die resultierende Kraft, die auf die Feder wirkt, proportional zur Veränderung der Länge der Feder. Mathematisch ausgedrückt lautet das Gesetz:
F = -kx. Wobei: F die Rückstellkraft ist, die von der Feder ausgeübt wird, x die Verlängerung oder Kompression der Feder von ihrer Ruhelage ist und k die Federkonstante ist, die die Steifigkeit der Feder angibt. Das negative Vorzeichen zeigt an, dass die Rückstellkraft in die entgegengesetzte Richtung der Deformation wirkt.
In einfachen Worten: Je weiter man die Sehne des Bogens zieht (x), desto stärker ist die Kraft (F), mit der sie versucht, in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren, und diese Kraft hängt von der Dehnbarkeit der Sehne (k) ab.

Energieerhaltung: Energie wird weder erzeugt noch zerstört, sie ändert einfach ihre Form. Beim Bogenschießen wird die in den Wurfarmen gespeicherte Energie in kinetische Energie umgewandelt. Es geht aber nicht nur um die Energieübertragung. Es geht auch um Kontrolle und Präzision. Die Wurfarme müssen flexibel genug sein, um Energie effizient zu speichern, aber auch steif genug, um sicherzustellen, dass die Energie sauber und direkt auf den Pfeil übertragen wird, wodurch Energieverluste minimiert und Pfeilgeschwindigkeit und -genauigkeit maximiert werden.

Pfeilablenkung
Wenn ein Pfeil abgeschossen wird, wird er durch die Kraft, die auf ihn wirkt, durchgebogen. Diese Durchbiegung ist zuerst zum Bogen, dann vom Bogen weg und wenn der Pfeil die Sehne verlässt, wieder zum Bogen. Dabei braucht er die richtige Steifigkeit, um sich so zu biegen, dass er in Richtung Ziel fliegt. Das Ganze nennt man auch Archer´s Paradox. Dann pendelt der Pfeil bis zum Ziel.
Während der Pfeil fliegt, wird die gespeicherte Energie, die das Pendeln verursacht, allmählich abgebaut, sodass der Pfeil seine Flugbahn begradigen kann.