競技用ヤリの動特性

Kobe University Repository : Kernel
Title
競技用ヤリの動特性(Dynamic Characteristics of Javelin)
Author(s)
前田, 正登 / 野村, 治夫 / 森脇, 俊道 / 社本, 英二
Citation
Japanese Journal of Sports Science,12(2):130-136
Issue date
1993-02-15
Resource Type
Journal Article / 学術雑誌論文
Resource Version
publisher
DOI
URL
http://www.lib.kobe-u.ac.jp/handle_kernel/90001665
Create Date: 2017-03-31
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通.
競技用ヤリの動特性
前田正登※野村治夫※森脇俊道※※社本英二料
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1
.緒
戸司
やり投競技に関する研究では、従来、ヤリは変形
しない剛体と見なして論じられてきた。しかし、
Hubbardら7) T
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6
)などによって、弾性体とし
ての動特性、特に振動特性が競技パフォーマンスに
影響を及ぽすことが指摘され始めた。さらに、 1
9
8
6
年の規格改訂によって飛行性能が著しく低下し 15)、
飛距離が減少したれ 14)ために、飛距離減少の一因と
思われる ι12.16)ヤリの振動が注目きれるようになっ
てきた。
ヤリの振動は、形状，材質，肉厚分布等に影響を
受けると考えられ、ヤリによってこれらの特性が異
なっていることが既に報告されている 11.15，16)。しか
し、それらの性能評価は静的な解析にとどまってい
るために、ヤリの性能として示されている硬さ 16)や
慣性モーメント 11，15) 距離表示11)などの違いが、競技
者の使用感に反映きれないことが多いようである。
このような現状は、投動作がヤリの動的状態におい
て行われているにもかかわらず、ヤリの性能を動的
状態のもとで評価していないために生じるものであ
ろうと思われる。
本研究では、やり投競技に用いられているヤリの
動特性を解析し、動特性の評価法の確立を目指す。
1
1
. ヤリの規格と静特性
ヤリの規格はI.A.A
.
F
.(国際陸上競技連盟)で定め
られている(図 I)が、その規格には許容幅があり、材
質も金属としか明記されていない 8)。したがって、規
格の範囲内で様々なヤリを製作することが可能であ
※神戸大学発達科学部
※※神戸大学工学部
130
受 付 平 成 3年 8月 1日
受 諾 平 成 4年 1
1月27日
12-2;1993
L日
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3.
5
ヤリの規格
図￨
表￨ 試料の静的諸特性
呼称
ORBIT
CHAMPION
ELITE
OLYMPIC
全長
質量
重{.、位置
縦断面積
体積
慣性モーメ ン ト
(
Cm)
(
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(
表示
、 制作国)
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CUSTOM
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LONG
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80-90m，
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0
6
Ouralumin
]apan
70-80m，
り、実際に製作メーカーによ って多種 多様なヤ リが
製造されている 。製作メ ー カーでは、競技者のため
にヤリ選択の目安として距離表示を設けている (
例
えば、 100m と表示 されていれば¥かなりの上級者向
きであることを示す)が、実際に使用し ている競技者
の競技レベルとは必ずしも合致していないのが実状
である )
J。
本研究で用いた試料は、すべ て規格に適合した男
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Ouralumin
100m，
England
4
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2
Ouralumin
， Hungary
80m-
3
.
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6
Ouralumin
70m，
U.S.A
子の競技用ヤリであり、その静的諸特性及ぴ仕様概
略を表 lに示す。これらの静特性は、既に報告した
方法 11)で測定した。
川.実験方法
ヤリの動的な状態は、リリース時を境に投動作中
と飛行中の 2つの局面で生じる 16)。この 2局面は、本
1
3
1
l
問。司ち幻.
来、弾性体であるヤリに対し、競技者がその長軸方
1
6
)ことで生じ、その
向と異なる方向に力を加える 2，
結果、飛行中の自由状態では振動が起こる 7，
1
6
)という
関連した現象である。本研究では、飛行中における
ヤリの振動モードをインパルス応答法制によって求
め、投動作中におけるヤリの動的な状態を周波数応
答法弘刷を用いて解析した。
J
J
CAIIplifier
X 20 ， ll-Jto イル~:l kHz
図 2 ヤリの加振実験(インパルス応答法)
I)ヤリの振動
インパルス応答法による動特性測定法を図 2に示
す。ヤリの穂先を上にしてつるし、自由状態にした。
ヤリには先端から 130cmの箇所に加速度計 (TEAC
社製，使用最大加速度:1
5
0G)を固定し、ロードセ
/
レ (PCB
社製，使用最大加重:5
0
0
1
b
)を備えたハン
0箇所におい
マによって、先端から 25cmごと、計 1
て、加速度計の感度方向(水平方向)に打撃加振を
行った。同時に、ヤリのほぼ中央部に固定した加速
度計によって、応答振動加速度を測定した。
1
0箇所の加振力と応答振動の信号を A/D変換し、
ワークステーションへ転送した。なお、データのサ
0
0
ンプリング周波数は 2kHz、周波数分解能は 5
mHzであった。
各測定点ごとに 5回測定した振動波形を加算平均
し、高速フーリエ変換した後、加振力に対する応答
加速度の伝達関数(周波数応答関数) を算出し、コ
ンブライアンスに換算した。
2)投動作中のヤリ
周波数応答法を図 3 に示す。ヤリのグリップ後端
部を治具(アルミ製:2
5
0g，自作)で固定し、加振器
κ，AapJifjer
X IO ， O-I\;\列島~ : l kHz
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図 3 ヤリの加振実験(周波数応答法)
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周波数 (Hz
)
図 4 各部の伝達関数 CSUPERの例)
に装着した。加振器と治具の聞にはロードセル
(
IM V
社製，使用最大加重:1
0
0kgf)を取り 付け(治
2次モード
(
6
3
H
z
)
2次モード
(
6
7
H
z
)
具はヤリと一体であると見なす)
、 正弦波加振した時
の力を測定した。加振力が常に一定となるように発
振器 (
P
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社製，最大出力電圧: 1
0dB)
の電圧
を調節し、ヤりを加振した。加振周波数の範囲は、
インパルス応答法による実験結果から 15-30Hzと
した。加振力の波形と治具に取り付けた加速度計
(TEAC
社製，使用最大加速度: 1
5
0G)で測定した
応答振動波形をオシロスコープに表示した。加振力
L-.J.ーーー」
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1
0剛 /
N
SUPE
R
と加速度の 2つ の 信 号 か ら 周 波 数 応 答 関 数 を 求
め9.10)、それぞれの試料について、グリ ップ後端部に
ELITE
図 5 ヤリの振動モード
おける共振周波数， コンブライアンス，モード減衰
比などを算出した。
また、 35mmカメラおよびストロボスコーフ。を用
S
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e
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l製 (
E
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)、Duralumin製 (
S
U
P
E
R
)各 1種
1Vの電圧で加振したとき
の先端部(先端から 150mmの箇所)，グリップ部(グ
リップ後端部)，末端部(末端から 150mm
の箇所)の
1
0箇所の測定点において得られた伝達関数の例
様に 5
0
0Hz以内で 6つの共振ピークが認められた。
振動様相を撮影し、試料の各部における振動振幅を
また、奇数次のモードでコンブライアンスが大きく、
測定した。
末端部(先端から 2
5
0cmの箇所)の 1次モードにお
いて最大値を示した。各モード聞の周波数間隔は広
いた多重撮影法により、
I
V 実験結果
1
)ヤリのインパルス加振結果
インパルス応答法による実験は、代表例として
類のヤリについて行った。
(
S
U
P
E
R
)を図 4に示す。いずれの箇所においても同
〈、モード聞の連成は弱い傾向であった。このよう
ELITEにおいても同様であった。
ELITEとSUPERの 3次までの振動形を図 5に示
な傾向は、
す。それぞれのヤリは、
1次および、3次モードにお
1
3
3
L
同て別ち幻.
一一一-ORBIT
-一一 CHAMPION
1
.3
1
- -ELITE
.
.
.
.
.
. OLYMPIC
-_. CLASSIC
CUSTOM
- -SUPER
--- LONG
1
3
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0
周波数(Hz
)
図 6 ヤリのグリップ後端部における伝達関数(I次モード部介)
いて大きく振動していたが、 2次モードではいずれ
もほとんど変イ立していなかった。
両者の l次の振動形を比較すると、 ELITEの方が
変位が著しかった。また、 ELITEの変位が両端部で
ほぼ同程度であるにのに対し、 SUPERでは先端部
よりも末端部の方が変位が大きかった。そして、振
動の節は、 SUPERがややグリップの方に寄ってい
た
。
2
)ヤリの正弦波加振結果
加振器による実験結果を図 6に示す。これらは、
グリップ後端部における 15-30Hzの周波数範囲に
おける伝達関数であり、 l次モード付近について示
している。この結果は インパルス応答法による 1
次モード付近の部分とほぼ同様な傾向をした。
8種類の試料において、共振周波数は 2
0
.
0，21
.5
，
1
3
4
2
3
.
0Hzの 3種類であり、伝達関数も概ね 3種類に
大別された。 S
t
e
e
l製のヤリの共振周波数はいずれも
2
0
.
0Hzで、これらのヤリでは距離表示のレベルが
高い方が最大コンブライアンスが小さかった。一方、
Duralumin製のヤリでは、共振周波数が高いほど最
大コンブライアンスが小さい傾;向にあった。
各試料の共振状態における先端部，グリップ部，
後端部の振動振幅を表 2に示す。 3箇所の中で最も
ばらつきの大きいのは末端部分であり、ヤリによる
t
e
e
l製 の ヤ リ と
差が明瞭であった。また、 S
OLYMPICの振動振幅は、他のヤリに比べてグリッ
プ部では大きく、末端部では小きかった。一方、
Duralumin製の CLASSICでは、グリップ部で振幅
が最小であったのに対し、末端部では最大の値を示
した。
12-2;1993
Duralumin製のヤリでは、奇数次のモードにおけ
表 2 各部の振動振幅(片振幅)
呼
称
、
ORBIT
CHAMPION
ELITE
OLYMPIC
C
L
A
S
S
I
C
CUSTOM
SUPER
LONG
平均
先端から
150mm
(cm)
ク守リッフc
後端
(cm)
末端から
150mm
(
Cm)
L1
7
0
.
7
4
2
.
3
8
0
.
9
0
0
.
7
4
2
.
4
1
1
.1
4
0
.
7
4
2
.
2
0
0
.
8
9
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.7
0
2
.
0
9
1
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0
.
6
2
2
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5
0
.
1
3
0
.
6
3
2
.
6
4
L2
3
0
.
6
8
2
.
7
2
0
.
9
9
0
.
6
6
2
.
6
7
1
.07
0
.
6
9
2
.
4
8
V
. 考察
る末端部の変位が著しく、複雑な振動様相をしてい
ることが伺われる。さらに、表 2でも明らかなよう
uralumin製のヤリでも末端部の振動振幅
に、同じ D
はヤリによって異なる。 D
uralumin製のヤリの特徴
のーっとして、肉厚分布が一様で、はない 6，12)ことが報
告きれている。この影響が、各部の振動振幅の差に
現れているものと推察きれる。
飛行中のヤリの振動は、飛距離増大には不利な要
因であると指摘されている 6，7)が、振動が不利である
としても、ヤリのどの部分の振幅が競技パフォーマ
ンスに、より影響するかまでは明確にされていない。
いずれにしても、 D
uralumin
製のヤリのように材質
の密度が小さければ、肉厚分布を変えたりつめもの
をするなどして、断面 2次モーメントを変えること
ができる。これによって、ヤリ自体の振動もある程
度意図的に変えることが可能になる。
1
)弾'性体;としてのヤリ
従来、ヤリは変形しない剛体として扱われ、
T
e
r
a
u
d
s16)，菅原 15)がヤリの固有振動数を測定し、飛
行中における振動の存在は認めている 3，6)ものの、振
2
)動特性が競技に及ぼす影響
)を考
投動作中に競技者がヤリに加える力の方向 2
えると、ヤリを振動きせないで投げること不可能で、
ある 3，5，14)。したがって、弾性体としてのヤリが競技
動モードやそれらが競技に及ぼす影響にまでは触れ
られていなかった。本研究では、ヤリの弾性体とし
パフォーマンスに大きく影響しているといわざるを
得ない。
競技者や製作メーカーでは、ヤリの「硬き」がし
ての側面を解析しようとした。
ヤリの振動数はこれまでの報告とほぼ同程度の値
0
0Hz以内の共振点の数や伝達関数
であり 7，15，16)、5
(
図 4)
は
、 2本の試料において同様な傾向であった。
これらのことから、競技用のヤリの動特性は、両端
自白状態における棒の横振動としてほぽ代表するこ
とができる 9，13)ものと考えられる。ただ、振動の節の
位置は本研究で取り上げた 2本のヤリでも多少異な
っており、質量均ーの単純な棒として取り扱うこと
は妥当ではないと思われる。
また、図 5で、いずれのヤリも 2次モードにおけ
る振動振幅が小きいのは、振動の節 (
n
o
d
e
)の近くに
加速度計を取り付けたためであろうと思われる。実
際、競技者が力を加える部分(本実験では加速度計の
位置に相当する)はグリップ後端であり、偶数次の振
動モードの節付近にあたることから、本実験により
得た結果は現実の振動に近いものと考えられる。そ
して、周波数応答法により得た結果とほぼ同様な傾
向であったことから、本研究で、行ったインパルス応
答法によるヤリの振動特性評価法は妥当であったと
考えられる。
ばしば問題にされ、競技者やコーチの中には、静的
に硬いヤリは振動振幅も小さく、上級者向きである
というような解釈をしている者も多い 6，16)。しかし、
ヤリの硬さは競技の場面を考慮して評価するならば、
静的ではなくむしろ動的に評価するのが妥当であろ
う。特に各部の振動振幅は、投てき者の加振力の大
きさや投射スピード(厳密には、競技者によって出力
きれる力 時間曲線)とも関連してヤリの飛距離に
影響を及ぼすであろうと思われる。
共振周波数は、その付近の周波数帯域において最
も大きな応答振幅が得られる周波数であり、共振周
波数が同程度(共振状態)であれば、加振される箇所
(グリップ後端部)におけるコンブライアンスで競技
者の感じるヤリの硬きを評価することができると考
えられる。例えば、図 6の共振周波数が同じである
ORBITとELITEでは、同じように投げてもコンブ
ライアンスが小さい O
RBITが硬く感じるであろう
し、また、それぞれのヤリで共振周波数は異なるの
で、周波数すなわち、競技者の出力する力一時間曲
線が異なれば、感じる硬きの順番も変わることにな
1
3
5
l
同て別ち幻.
るであろう。しかし、本研究における 8種類のヤリ
では、加振一応答の伝達関数は 3種類に大別される
ので、競技者が投動作中に感じると思われるヤリの
硬さも概ね 3種類に分かれるものと推察きれる。
I
.
A
.A
.
F
.発行のルールブック 8)によれば、ヤリの仕
様については形状，重量，重心位置等の規制はある
ものの、内部構造に関する規定はほとんどない。そ
のために肉厚などの内部構造はヤリによって異なっ
ており 12)、形状，重量などよりもむしろ、質量分布に
依存する慣性モーメントに差が認められている 11.12)。
一方、試料の 1次の共振周波数は、高いものほどグ
リップ部の最大コンブライアンスが小きく、共振周
波数が同じであるものでは、振動モードの形もさほ
ど違いは認められない。これらのことは、モードの
特性がヤリの材質や形状などにあまり影響を受けず、
両端部の質量、すなわち質量分布に影響を受けてい
るものと考えられる。さらに、慣性モーメントを計
測することによって質量分布が推定できることから、
慣性モーメントによって、ある程度、競技用ヤリの
モード特性が推測できると考えられる。
V
I
. まとめ
S
t
e
e
l製 3種類、 Duralumin製 5種類、計 8種類の
競技用ヤリについて、インパルス応答法、周波数応
答法によりモード解析を行い、競技用ヤリの動特性
を評価、検討した。その結果、以下のことが明らか
となった。
(1)ヤリの振動は、両端自由の横振動が支配的で
ある。
(2)実験したヤリでは、 5
0
0Hz以内の周波数にお
いて 6つの共振があり、それぞれのヤリでは偶数
次の振動モードでのコンブライアンスが小さい。
(3)試料の伝達関数(1次モード域)は 3つに大別
1
3
6
きれ、伝達関数の異なるヤリでは競技者の使用感
も異なるものと考えられる。
(4)競技用のヤリでは、 1次の共振周波数が高い
ものほどグリッフ。音E
のコンブ。ライアンスはイ、きく、
材質、形状などには、あまり影響きれない。
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