Точность в пейнтболе, опыт экспериментально-статистического исследования
От редакции. Попав на пейнтбол несколько лет назад вместе со своими детьми, Роберт Джадсон несколько лет задавался вопросом «что влияет на точность выстрела?» За это время он перепробовал все хай-энд маркеры, десятки марок стволов и шаров, нашел все статьи на тему и выяснил, что каждый такой вопрос на форумах получает настолько разные ответы, что придется браться за дело самому. Будучи дипломированным инженером-прочнистом, много лет проработавшим в области стандартизации, испытаний сооружений, написавшим уйму инструкций и технических статей, Роберт в итоге создал свой метод. Результаты его исследований – ниже. Поскольку текст был написан техническим специалистом для популярного пейнтбольного журнала, он представляет собой причудливое сочетание научной лексики и стиля с разъяснениями «для самых маленьких».
Кроме того, следует учесть, что в статье приводятся лишь самые общие описания и первичные выводы, а полный массив информации и более точные выводы, включая графические зависимости роста и падения давления в стволе, не приводятся.
Несмотря на огромное количество «сравнений» стволов, шаров и маркеров, до сих пор в пейнтболе не существует единого стандарта испытаний – таких, например, которые существуют для проверки качества бетона, стали, механизмов, химикатов и т.д. Ничего похожего в пейнтболе нет…
Профессиональные секреты.
Среди моря «тестов» нашлись и великолепные работы. Например, Том Кайе из Airgun Designs провел отличные исследования. Но в пейнтболе нет «центральной лаборатории», использующей стандартные методы. Те же производители, которые проводят тестирование сами, хранят результаты в тайне, и это объяснимо – данные стоят денег и нужны для разработки новой продукции.
Нам же нужно просто знать о всех параметрах, влияющих на траекторию шара. Маркер, ствол, шары, тип газа? Поскольку общепризнанного метода испытаний не существует, мы создали свой собственный. В этой статье будет описана методика и наши выводы. Мы потратили уйму времени и денег для получения этих результатов, тем не менее, учитывая, что у нас не было серьезного лабораторного оборудования или бюджета в миллион долларов, нельзя гарантировать абсолютную достоверность результатов или непогрешимость метода испытаний. Мы готовы принять возражения и приглашаем других исследователей к профессиональному диалогу в поисках точной информации о точности в пейнтболе.
Целью исследования было найти некие базовые принципы, которые помогли бы в выборе снаряжения. В статье не сравниваются маркеры или стволы и мы не утверждаем, что какое-то снаряжение лучше. Мы надеемся, что наши результаты помогут многим игрокам.
Методика испытаний
Нам был нужен надежный и повторяемый метод. Мы хотели определить и выделить параметры, оказывающие влияние на траекторию шара. Мы знали, что нам необходимо минимизировать разброс в размерах и форме шаров, длине и сверловке стволов и т.д. и определить влияние типа маркера на результат. Мы анализировали полученные данные статистическими методами и сравнивали результаты, полученные по формулам матстатистики. Простейшим оценочным критерием было избрано среднее квадратичное отклонение попаданий от центральной точки. Данные вносились в таблицу Excel, в которую были зашиты формулы для вычисления отклонения.
Первоначально, мы отстреливали шары в листы стироновой теплоизоляции – шары пробивал лист, после чего измерялось расстояние от центра мишени с помощью прозрачного плексигласового трафарета с нанесенными окружностями с шагом радиуса в 15 см. Однако, такой метод требовал слишком много времени и денег.
Тогда мы использовали сенсорную панель, покрыли ее тонким металлическим листом, а сверху – еще и плексигласом. Вся система через логические контроллеры была подключена к компьютеру, и каждый шар, попавший в мишень, автоматически отображался в таблице – причем независимо от того, разбился шар или нет.
Маркеры зажимались в тиски верстака, спуск нажимался короткой деревянной осью. Каждая серия была не менее 40 выстрелов для статистической достоверности. В Excel, помимо квадратичного отклонения, вычислялся средний диаметр разлета и строились вероятностные кривые. Высота станка была примерно 135 сантиметров, использовались стволы калибра 0.690. Измерение диаметра производилось со стороны казенной части стальными калибрами с точностью 1/10000 дюйма и высокоточным цифровым штихмасом.
Измерение скорости
Скорость измерялась на расстоянии 8-10см от среза ствола зафиксированным в станке цифровым хронографом. Также для дополнительного контроля использовался ручной хронограф, установленный параллельно стационарному над срезом ствола. Разброс показаний хронографов составлял от 3 до 5%, точность их нам неизвестна.
Все тесты прошли при скорости примерно 280фпс, на дальности 36 метров.
Радар-хронографы Interceptor последовательно устанавливались на треногах перпендикулярно директрисе на расстояниях в 10, 20, 30 и 40 метров для определения средней скорости на этих дистанциях.
Мы обнаружили, что изменение скорости вылета шара на 5 фпс может увеличивать разброс на 6-8 сантиметров. Некоторые «кривые» шары давали разброс скорости от 10 до 15 фпс, что приводило к увеличению разброса примерно на 15 сантиметров. Под «кривыми» понимаются продолговатые, эллиптические, с грубыми швами, т.е. с любым отклонением от сферической формы.
Также проводилось сравнение результатов в зависимости от сочетания калибров шаров и ствола (см. ниже).
Было обнаружено, что скорость шара заметно падает – если на дульном срезе она порядка 280 фпс, то на мишени около 100. Это падение скорости совпало с теоретически вычисленным.
Время полета шара до мишени составило менее секунды, замедление вызывалось сопротивлением воздуха и влиянием гравитации (см. ниже)
Качество шаров
Шары различаются размером, формой, местом и толщиной шва, весом – и каждый из этих факторов может влиять на скорость и траекторию. В тестах не использовались слежавшиеся шары или шары с воздушными пузырьками в наполнителе (такие шары отсеивались проверкой «вращением» - шар со смещенным центром тяжести крутится на плоскости с биениями). Мы отбирали шары одинакового веса, измеряли их с помощью специально сделанного калибратора, который последовательно измерял диаметр шара в двух перпендикулярных плоскостях. Таким образом, мы получали не только данные о диаметре, но и о форме шара. Шары с пустотами или весившие заметно меньше нормы также отсеивались и подсчитывались отдельно, для определения доли «пустотных» шаров в каждой марке. Швы на шарах, а также пролежни могли влиять на аэродинамику шара в полете, приводя к вращению или к непредсказуемой траектории. Неправильная (яйцеобразная или эллиптическая) форма также влияет на траекторию из-за разницы давления на той или иной стороне шара, вызывающей хаотическое движение.
В ходе тестирования было установлено, что незначительные изменения в размере, весе или форме шара приводят к разбросу скорости примерно до 15 фпс, что, в свою очередь, увеличивает разлет шаров на 20-25 сантиметров от центра мишени.
Для того чтобы избежать трудоемкой процедуры сортировки шаров, после первичных тестов в качестве основного материала были выбраны шары PMI Marballizer Green/Black с весом 49 гранов (3.175 грамм).
Калибраторы шаров
Для уменьшения разброса из-за размера шаров мы изготовили стальные калибраторы – примерно по той же схеме, которая используется для просеивания песка или гравия, т.е. стальные пластины с пробитыми в них отверстиями от 0.679 до 0.693. Шары проходили эти сита последовательно, от большего к меньшему, сортируясь по диаметру. Для тыстов отбирались шары с размерами между 0.688 и 0.690.
Отстрел производился при температурах от 22 до 25 градусов Цельсия, раздувшихся (от влаги), размягчившихся (от жары), с хрупкой оболочкой (от охлаждения) шаров не было.
Тесты, проводившиеся при температурах от 0 до 5 градусов Цельсия, в лабораторных условиях не повторялись, но привели к заключению, что температура влияет на динамику движения шара в стволе. При низких температурах шар становится тверже и взаимодействует со стволом иначе, чем при высоких температурах, кроме того, при низких температурах выше плотность воздуха.
Теплоемкость CO2
При быстрой стрельбе углексилота отбирает тепло из окружающей среды – в частности, из ствола. Мы наблюдали падение температуры ствола на 14-17С и одновременно падение скорости на 60 фпс. Из уравнения состояния идеального газа PV=nRT и вытекающего из него уравнения P1/T1=P2/T2 следует, что изменение температуры на 3-5 градусов приводит к изменению давления, выражающемуся в скачке скорости а 10-15 фпс. Однако, мы наблюдали гораздо большие скачки, чем это следует из уравнения состояния идеального газа, что можно вычислить, учитывая в расчетах также и теплоемкость углекислого газа (т.е. его сохраненную энергию). То есть, законы, описывающие поведение идеального газа годятся лишь в первом, грубом приближении. На 36-метровой дистанции изменение скорости на 60 фпс приводит к разлету шаров от 90 до 120 сантиметров (а иногда и больше). Поэтому при тестировании использовался только сжатый воздух из 40-литрового баллона.
Видео
Тесты записывались на цифровую видеокамеру Sony с функциями высокоскоростной и стробоскопической съемки. Камера также могла работать в инфракрасном режиме, что позволило оценить влияние вращения шара. Мы использовали камеру, чтобы зафиксировать потоки воздуха через отверстия на конце ствола во время прохождения шара по стволу, а также, чтобы пронаблюдать вращение шара, выстеленного через тот или иной «нарезной» ствол.
Климат-контроль
Большинство тестов проводилось внутри кондиционированного здания при температуре около 25С и относительной влажности 60%. Поскольку плотность атмосферного воздуха изменяется в зависимости от температуры и влажности, было важно проводить тесты в одинаковых условиях.
Плотность воздуха также зависит от высоты над уровнем моря, но так как все тесты проводились в одном месте, этот фактор не учитывался.
1. Что влияет
На точность влияет тип маркера, также как тип ствола, качество шаров, сочетание шаров и ствола и т.п. Маркеры начального уровня, например, не могут выдавать такой темп стрельбы, как маркеры hi-end, однако, они вполне могут стрелять точно – при правильно подобранном сочетании хорошего ствола с хорошими шарами.
2. Источник газа
После нажатия на спуск, давление расширяющегося газа передается на шар. Волна давления действует на его заднюю поверхность и разгоняет его. Эта волна имеет определенную форму для каждого маркера и определяет динамику разгона за эти 5-6 тысячных секунды. Если использовать закон парциальных давлений Бойля, то можно теоретически рассчитать, после какого расстояния, пройденного шаром в стволе, сравняются давление расширяющегося газа за шаром и давление зоны уплотненного воздуха перед шаром. Это расстояние, на котором давления уравниваются, и есть эффективная разгонная длина. В зависимости от калибра ствола и типа маркера, эффективная длина составляет от 15 до 20 сантиметров. Сверловка ствола в этой зоне снижает экономичность расхода газа (экономичность измерялась подсчетом выстрелов, произведенных с одной заправки баллона до 1000пси до момента падения на 30фпс средней скорости вылета шара).
Стволы с длиной большей, чем эффективная, могут в некоторых случаях оказывать отрицательное влияние на разгон шара, хотя с практической точки зрения по длинному стволу проще целится и на его можно нарезать или украсить сверловкой.
3. Длина ствола
Было обнаружено, что стволы длиной 22 сантиметра дают более стабильные скорости, чем привычные 14- и 16-дюймовые стволы (35 и 40см) и отличную точность на коротких (до 36 метров) дистанциях. Однако, при стрельбах на 36 метров с длинными стволами, установлено, что изменение скорости на срезе ствола в 5 фпс, приводит к увеличению диаметра разброса на мишени от 6 до 8 сантиметров. Можно только предположить, что это связано с большей турбулентностью потока на срезе короткого ствола или большим «выравниванием» шара в длинных стволах. Тем не менее, короткие (8-дюймовые) стволы примерно на 8% экономичнее по расходу газа, чем 14-дюймовые.
4. Калиброванные вставки
Была использована серия калиброванных вставок для определения влияние калибра на точность. Вставки изготавливались длиной от 0.6 до 15 см, калибр менялся в пределах от 0.688 до 0.690, для соответствия используемым в тестах шарам. Установлено, что более короткие вставки (длиной от 3 до 5 калибров, т.е. 5-8см), имеют большую точность, чем вставки длиной 10-13 см. Короткие также более экономичны, примерно на 8%.
Увеличение точности на коротких вставках было более заметно при использовании шаров с крупным швом. На некоторых шарах шов тонкий и практически неразличим на ощупь, мы считали шов крупным, если его можно было увидеть, ощутить «щелчок» при проведении по нему ногтем и промерить калибратором. Вероятно, что шары с крупным швом от большего трения о длинные вставки, имеют большее неконтролируемое закручивание, чем при стрельбе с короткими вставками.
Мы полагаем, что шар начинает закручиваться внутри вставки. Эмпирические результаты показывают, что точность на дистанции в 40 метров выше с короткими вставками, чем с длинными. Мы попытались заснять процесс на высокоскоростную камеру, но обнаружили, что это слишком сложно и что камера не успевает зафиксировать каждое вращение шара. Использование более продвинутой камеры за $10000 позволит получить съемку, необходимую для дальнейших исследований.
МЫ полагаем, что на экономичность влияет трение шара о стенки вставки. Короткие вставки заметнее увеличивали экономичность при стрельбе шарами с крупными швами. Более гладкие шары обеспечивали большую точность и меньше скачков скорости и на длинных, и на коротких вставках. В общем, короткие вставки обеспечивали большую точность, чем длинные.
Тестирования разноразмерных сочетаний шар/ствол не проводилось. Мы полагаем, что чем хуже сочетание, тем больше разброс скорости от выстрела к выстрелу – зазор между шаром и стволом может приводить к неконтролируемому вращению шара, утечкам газа и скачкам скорости.
5. Сверловка
Мы обнаружили, что сверловка ствола и зенковка отверстий заметно влияют на точность. Ствол с правильной сверловкой и зенковкой (увеличение диаметра отверстий изнутри наружу) работает лучше, чем обычный ствол с перпендикулярной сверловкой постоянного диаметра. Наши исследования показали, что разница между атмосферным давлением и давлением в стволе зависит от формы и расположения сверловки. Мы отметили, что угол, зона и расстояние между отверстиями сверловки также влияют на точность.
Замедленная съемка показывает, что газ выталкивается из отверстий перед и втягивается обратно после прохождения шара. Вероятно, воздух выталкивается из отверстий зоной повышенного давления перед шаром и втягивается в зону разрежения за шаром. Всасывание воздуха в ствол за шаром выравнивает давление с атмосферным, что позволяет шару принять исходную форму перед вылетом из ствола – в том случае, если отверстия имеют правильный размер и расположены под правильным углом.
Мы полагаем, что разница между атмосферным давлением и давлением в стволе на срезе (на конце ствола, у дула) в момент, когда шар покидает ствол, может влиять на точность и что сверловка влияет на эту разницу. Турбулентность у среза ствола заметно влияет на точность и зависит от типа сверловки. Наша видеосъемка показывает влияние сверловки на выход газа. Мы не сравнивали влияние сверловки на коротких и длинных стволах с целью определить, определяла ли турбулентность разницу в точности коротких и длинных стволов, которая была описана выше.
6. Сжатый воздух – СО2
После завершения теоретических расчетов (см.выше), мы решили использовать в качестве рабочего газа сжатый воздух. Было отмечено, что при работе на сжатом воздухе скачки скорости меньше, чем при использовании СО2, в особенности при высоком темпе стрельбы. При быстрой стрельбе на углекислом газе температура ствола падала на 5-15 и более градусов Цельсия. При падении температуры ствола (из-за расширения СО2) с 25 до 10С скорость падала на 25-30% - например, с 280 до 223 фпс. На дистанции 36 метров при падении температуры ствола на 15 градусов разлет относительно центра мишени увеличивался до 100-120 сантиметров! Мы также установили, что при падении температуры баллона с СО2 на 10%, давление падало на 5-6%, что связано с эндотермическим процессом расширения углекислого газа – т.е. происходящего с поглощением тепла из окружающей среды, в т.ч. путем охлаждения ствола. Мы установили, что сжатый воздух обеспечивает заметно более стабильную скорость и точность.
7. Траектория
На шар после вылета из ствола действуют несколько сил. Кроме указанных выше факторов, на траекторию также влияют сила тяжести и сопротивление воздуха (зависящее от коэффициента сопротивления, числа Рейнольдса и скорости шара).
Также на шар влияет эффект Магнуса – аэродинамическая сила, вызываемая вращением шара в полете. Сила тяжести тянет шар вниз, сопротивление воздуха тормозит его, поток воздуха вокруг шара создает завихрения и турбулентный след. След может смещаться по задней поверхности шара, вызывая рысканье – так, как это происходит с «кручеными» мячами в теннисе или футболе.
8. Вращение
Шарик имеет относительно твердую оболочку и наполнитель из вязкой жидкости, причем они не обязательно вращаются с одинаковой скоростью. Разница в скоростях вращения оболочки и наполнителя вызывается вязкостью жидкости и температурой. Мы закручивали шары со скоростью от 1000 до 10000 оборотов в минуту (не углубляясь в особенности вращения и внутреннюю баллистику шара) с помощью различных по углу и форме нарезов, чтобы определить влияние вращения на траекторию.
Мы исходили из допущения, что мы можем закрутить относительно мягкий шар. При вращении шара возникает т.н. гироскопический эффект, положительно влияющий на траекторию. Вращение шара смягчало воздействие или вовсе устраняло турбулентный след. Другим теоретическим предположением было то, что даже слабо закрученный в одном направлении шар будет с меньшей вероятностью менять направление вращения или рыскать в полете.
Мы обнаружили, что нарезка должна иметь правильную и точную глубину и ширину канавок и полочек, а также то, что отношение скорости вращения и скорости движения шара критично для нарезных стволов. Мы определяли это отношения при скорости вылета 280 фпс (85 м/сек). Если скорость вращения шара превышает определенный предел, то шар начинает рыскать на дальних дистанциях. Как мы полагаем, при высоких скоростях закрутки оболочка вращается быстрее, чем наполнитель и жидкий наполнитель поглощает энергию вращения оболочки. Сочетание правильных нарезки, сверловки и калибра (разгонной части) увеличивают дальность стрельбы примерно на 6 метров по сравнению с гладкими стволами. Дальность определялась отстрелом серий по 100 шаров и замером расстояний до точек их падения на землю, возвышение ствола над землей составляло около 130-140 сантиметров.
Можно лишь предполагать, что из-за вращения шара турбулентный след становился более «гладким» и общее сопротивление, таким образом, снижалось. А меньшее суммарное сопротивление позволяло шару лететь дальше. Тесты с вращением шаров показали, что точность возрастает при правильном отношении скорости вращения к скорости движения, в сочетании с правильной сверловкой и калибром. При вращении шара со скоростью выше или ниже этого предела, возрастания точности не наблюдалось.
Выводы
Качество шаров – главная составляющая точности. Покупайте хорошие шары, если вы хотите стрелять точно. Даже самый лучший маркер с наилучшим стволом слежавшимися, раздутыми или деформированными шарами будет стрелять криво.
Тип ствола существенно влияет на точность и идет сразу за качеством шаров. Основное влияние оказывает внутренняя обработка ствола, сверловка и нарезка. Твердость материала, из которого изготовлен ствол, продлевает срок службы внутренней поверхности, но напрямую на точность не влияет.
Сверловка весьма важна. Отверстия сверловки должны быть нужного размера и направления, чтобы выровнять давление и дать шару принять исходную форму вылетом из ствола. Сверловка на расстоянии менее чем 12-15 сантиметров от казенника ведет к перерасходу газа. Мы также установили, что увеличение диаметра ствола в дульной части в сочетании с направленными немного назад отверстиями дает наилучшие результаты.
Маркеры Hi-Еnd стреляют точно при условии правильного подбора сочетания ствол/шары. В целом, они стреляют с большим темпом, чем механические маркеры или маркеры Low-End.
Маркеры начального уровня стреляют точно условии правильного подбора сочетания ствол/шары, но некоторые из них не могут обеспечить постоянной точности, которую дают маркеры Hi-Еnd.
СО2 или сжатый воздух. Газовые законы предсказывают большую точность при стрельбе на сжатом воздухе, что подтверждается нашими экспериментами.
Влияние нарезки. Нарезные стволы отлично работают при низких скоростях закрутки в сочетании с правильной сверловкой и калибровкой шаров. Мы обнаружили, что нарезной ствол с расширением у дула и «обратной» сверловкой дает увеличение дальности примерно на 6 метров.
Будь у нас больше времени и финансов, мы могли бы исследовать влияние эффекта Магнуса на вращающийся шар, обсудить влияние числа Рейнольдса, коэффициентов сопротивления, гладкие и слежавшиеся шары, первый и второй законы Ньютона, пограничные слои, ламинарные потоки и т.д. Однако, это не было целью данной статьи. Мы хотели получить некие простые базовые принципы, опираясь на которые можно было подбирать маркеры, баллоны, стволы – чтобы получать больше удовольствия от игры. Полагаю, мы эти принципы вывели.
Мы не хотим заниматься гаданием, какой ствол или маркер лучше, мы не сравниваем результаты, показанные на разных стволах или маркерах, так как это не было задачей исследования. Мы надеемся, что обычный игрок сможет в этой статье найти полезную для себя информацию.
Мы не собираемся пускаться в диспуты, мы всего лишь хотели узнать для себя, что влияет на точность в пейнтболе. Главным открытием для нас стало о, что в пейнтболе для маркеров, шаров, баллонов и т.д., до сих пор нет общепризнанных методов тестирования и сравнительных аналитических методик, которые могли бы принести пользу, как игрокам, так и производителям.
В будущих тестах мы, возможно, найдем новые способы минимизировать отклонения, чтобы получить более «чистые» методики; исследуем влияние температуры на точность; поставим эксперименты в аэродинамической трубе и т.д.
В тестах использовались маркеры:
Angel LCD Fly,
Works 'Cocker,
PMI Piranha,
Tippmann 98,
Kingman Spyder,
NY Matrix Extreme,
Bob Long Intimidator.
В тестах использовались стволы:
OTP (со вставками),
Angel (базовый),
Titanium Boomstick,
Smart Parts Freak Kit,
J&J Performance Stainless,
Lapco Auto Spirit,
Hammerhead Pro Series (нарезной),
Hammerhead Battlestikxx (нарезной с расширением к дулу).
Роберт Джадсон
Первоисточник статьи в журнале Action Pursuite Games.
