힘줄은 동물의 건이 줄어든 것으로 끈, 화살대 감기, 백킹용으로 사용됐습니다.
왜 힘줄일까요? 어떤 특성이 힘줄을 이러한 용도로 쓰이게 만들었을까요?
분명히 힘줄은 건조되면 수축하고 질겨집니다. 그렇다면 얼마나 수축하고 질겨질까요?
캘리포니아대의 교수이자 Ishi(캘리포니아주에 살았던 마지막 인디언)의 친구며 열정적인 궁술가이기도 한 Saxton Pope 는
활과 화살이라는 제목의 인디언 활과 화살을 다루는 책을 썼습니다. 그는 Ishi가 힘줄로 배킹한 활을 만들 때 활의 겉면에
심재를 쓰는 것에 대해서 신경쓰지 않았다고 말합니다.
이것은 주목, 오세이지오렌지 등으로 만들어진 고전적 롱보우 구조에 대한 여러 궁장들의 책과는 대조됩니다.
한가지 나무만 사용해서 만드는 단일궁의 경우 보편적으로 활의 겉면을 정확히 결(나이테층)을 따라 만들고 그렇지 않으면
나무의 섬유가 끊어지고 활이 부러질 수 있다고 말합니다.
포프교수는 주목으로 만든 미니어처 활에 가죽이나 catgut
(양의 창자로 만들어지고 수술용봉합사,악기현으로도 사용된다고합니다. 전통활의 시위나 백킹으로도 사용)
으로 백킹을하는 실험을 했습니다.
실험에서 그가 내린 결론은 백킹으로 인한 효과는 먼거리를 쏠 때 아주 약간의 성능향상이 있었다는 것 뿐이었습니다.
그래서 그는 백킹의 이유는 결이 평행하지 않은 활의 부러짐을 방지하기 위함이라고 결론내렸습니다.
실험도 해야 하지만 힘줄에 대한 이해가 더 필요하다고 생각했습니다. 에스키모인들도 힘줄로 백킹한 활을 사용했습니다.
그곳의 추은 기후때문에 접착제는 소용이 없었고 그래서 그들은 힘줄을 끈형태로 꼬아서 활의 겉면에 묶어서 백킹을 했습니다.
백킹재의 장력은 이것이 활에 묶인 뒤에 꼬임으로써 증가했습니다.
Reginald Laubin은 그의 책 American Indian Archery 에서 오세이지오렌지나무와 힘줄로 인디언활의 복제품을 만든 경험에 대해
서 서술합니다. 그는 힘줄이 건조되면서 쪼그라들고 활을 계속하여 리커브모양으로 당기며 활의 파워를 증가시킨다고 말하는데
이는 포프교수와는 대조됩니다.
"과학적인 미국인" 잡지의 석궁에 대한 기사에서는 힘줄이 제곱인치당 28,000파운드의 인장강도를 가지고 있다고 말합니다.
이것은 유용한 정보이지만 이것은 힘줄의 특성을 1/3밖에 설명하지 못합니다.
힘줄백킹 활구조에 대한 개인적 경험은 오클랜드에 사는 한 남자가 만든 활을 봤을 때 부터 시작합니다.
멋지군요. 이 활은 사슴힘줄을 엘머사의 접착제로 붙인 것이냐는 질문에 대한 그의 답이었습니다. 잘 쏴지나요?
나는 묻지않았습니다. 몇년후 저는 짧은 플렛보우를 만들었고 말힘줄과 엘머사의 목공풀을 이용해 백킹했습니다.
이것은 허접한 나무라도 힘줄로 충분히 배킹하면 어느정도 성능을 보여주는 활이 만들어진다는 교훈을 줬습니다. 저의 다음
시도는 36인치길이의 Yurok활을 복제하는 것이었습니다. 이것은 주목과 힘줄을 사용한 것으로 매우 넓고 얇은 림이 특징입니다.
(찾아보니 아래 활입니다 미국 인디언 활이라네요)
어떤 매우 기초적인 구조 공학이론에서는 이 활과 같은 매우 짧은 활이 일반적인 화살을 제대로 쏘기위해서는
얇고 넓은 림이 필요하다고 말합니다. 저는 또다시 엘머사의 목공본드를 이용해 말힘줄 백킹을 했습니다.
외관은 멋졌지만 성능은 별로였습니다. 잠시동안 활을 더 쏘다가 활시위를 풀어보니 활이 휘어져 있었습니다.
하지만 몇시간 놓아둔 다시 원래 모양으로 돌아갔습니다. 보통 활이라면 축 늘어집니다. 저의 마지막 시도는 plains 인디언
스타일 활을 만드는 것이었고 48인치 블랙로커스트 나무를 사용했습니다. 이번에는 아교와 말힘줄로 백킹을 했습니다.
이활은 매우 강력하고 빨랐습니다. 아교가 그 원인이었을까요??
(플레인뭐시기 활은 인디언 활의 종류같습니다 아래사진)
The engineer in me took over.
좋은 성능의 활을 만드는 재료의 특성은 무엇이고 그것은 어떻게 측정할까요? 이것과 관계있을 만한 개념은
탄성계수(elastic modulus-주어진 장력에 얼마나 늘어나는지), 인장강도( tensile strength - 물체가 부서질때까지 필요한 장력),
그 물질이 건조됐을 때 얼마나 줄어드는지 입니다. 추가로 몇가지 유용한 개념들을 정의합니다.
위치에너지(Potential energy)
동작하기위한 능력? 화릿위를 당겼을 때 당신은 위체에너지를 림에 저장합니다. 위치에너지는 당신이 시위를 당긴거리 곱하
기 풀드로우까지 사용된 평균힘입니다. 활시위를 놓으면 위치에너지는 화살로 전해집니다.
운동에너지(Kinetic energy)
움직임의 에너지입니다. 효율적인 활일수록 림의 위치에너지에서 화살의 운동에너지로의 변환효율이 높습니다.
탄성계수(Elastic modulus)
물질이 얼마나 단단한지 측정한 값. 물질로 1인치의 입방체를 만들고 당김으로써 측정합니다. 입방체는 약간씩 길어질 것입니다.
탄성계수는 힘 곱하기 블럭의 길이, 블럭의 면적 곱하기 블럭이 늘어난길이로 나누어진 강철은 3천만psi 탄성계수를 가지고
히코리는 220만 블랙로커스트는 210만 그리고 제가 활만들기에 사용했던 주목은 120만이었습니다.
인장강도(Tensile strength)
1인치 입방체를 계속 잡아당기면 결국 분리될 것입니다. 이 분리되것의 1제곱인치당 힘을 인장강도라고 합니다. 열처리된 철은
40만 psi, 히코리는 2만psi입니다
글을 읽는 동안 여러분은 궁금할 것입니다.
어떻게 1인치의 입방체를 만들고 측정할까 매우 어려울텐데. 실제 실험에서는 더 얇은 물질로 실험할 것입니다.
저의 탄성계수 측정값에서는 건조된 말의 건은 41만 psi으로 나왔습니다. 제가 가진 주목의 측정값은 116만이었습니다.
이것은 놀랍게도 말의 힘줄 탄성계수가 나무의 21~35%밖에 되지 않는 것입니다. 수학적 계산은 제쳐두고 간단히 말하면
50파운드의 주목 목궁의 파운드를 늘이기 위해 나무두께를 5퍼센트 늘이면 15퍼센트 파운드가 증가하지만 백킹으로 5퍼센트
두껍게하면 겨우 2.2퍼센트 즉 1.8파운드의 장력증가밖에 되지 않습니다.
왜 장력에 아무 도움이 안되는 물질을 백킹할까요? 답은 수축에 있습니다.
저는 힘줄이 마르면서 수축하며 매우 강한 텐션을 가진다고 확신합니다. 힘줄의 수축이 사용하는 접착제와 관련이 있을까요?
이것을 확인하기위해 동일한 1/8인치 두께 발사나무에 아교와 목공본드로 힘줄을 붙여봤습니다. 두 힘줄은 동일하게 작용
했습니다. 마르고 수축하면서 나무를 리커브모양으로 굽혀지게 만들었습니다.
두번째 실험으로 힘줄없이 나무에 아교와 목공본드만 발랐을 때 결과는 아교를 바른 나무만 마르면서 리커브모양으로
굽혀졌고 목공본드를 바른 목재는 변화가 없었습니다.
실험의 교훈- 힘줄백킹에 아교말고는 사용하지 마세요
아교는 힘줄과 조화가 잘 되는데 이는 분자단계에서 본다면 둘이 동일하기 때문입니다. 마지막 실험은 힘줄이 말랐을때
얼마나 수축하는지였습니다. 저는 젖은 힘줄끈의 한쪽을 각목에 고정하고 다른 한쪽은 막대기의 짧은 끝부분에 고정했습니다.
이제 힘줄이 수축하면 지레의 긴 끝부분이 매우 긴 거리를 움직이며 얼마나 수축한지 쉽게 알아볼 수 있습니다. 결과는 3퍼센트
의 수축이었습니다.
결론을 말하자면 힘줄백킹의 장점은 몇가지 조합과 함께 생긴다는 것입니다
1. 힘줄이 건조되면서 수축하여 활을 잡아당깁니다. 그에 따라 활의 겉면의 섬유는 활을 당겼을 때 심하게 스트레스를 받지는
않습니다.
2. 힘줄은 결을 따르지 않는 활의 부분을 보호합니다
3. 활의 겉면은 힘줄백킹을 함으로써 부서질때 까지 5퍼센트 늘어날 수 있습니다.(나무는 부러질때 까지 1퍼센트입니다)
그나마 알게 된 것은 아교만 바르는 것으로도 나무가 휘어지니 약간의 백킹효과가 있을 것 같고 인장강도와 연신율이 중요하다
는 점입니다. 부러질때까지의 버티는 정도가 인장강도 부러질때까지 늘어난 것이 연신율 같은데 활만들기에 중요한 요소같습니
다. 이 글을 읽으니 제가 구입한 다용도 에폭시로는 활을 제대로 붙일 수 없었던 이유를 알겠습니다
제품표시에 보니 인장강도는 높은데 신율이 0.02%입니다. 즉 거의 안 늘어나는거죠. 외국인이 활만들기에 자주 사용하는 스무스
온 에폭시는 신율이 1%더군요..