芯の材料によるラバー刀の違いについて

長さ1000 mmの丸棒1本あたりの金額(単位: 円)に換算すると、次のようになります。

打刀のラバー刀には70 cmの長さが必要なので、原材料費には最大1000円程度の差が生じることになります。

日光の当たらない屋内に保管したとして、寿命を迎えるまでの年数は、次のとおりです。

これらの寿命はとても長いので、多くの場合はウレタンスポンジが先に劣化するか、物理的な衝撃によって壊れるかで使えなくなると考えられます。

これ以降の検証は、AIの力を借りて行います。計算に用いたパラメータは、次のとおりです。

衝撃に寄与する質量と、それによる衝撃力、圧力を密度から計算すると、以下のようになりました。

AIによると、痛覚の閾値は人体の部位によって異なりますが、脇腹で60 kPa程度、腕で80 kPa程度、太ももで100 kPa程度であり、グラスファイバーとカーボンファイバーでは軽い痛み、アルミニウムでは明らかな痛みが生じるとのことです。

部位によって軽度の打撲になる可能性は否定できませんが、少なくとも竹光よりはかなり安全であると言えます。

※丸棒が折れたり曲がったりすることによるエネルギー損失は、考慮されていません。弾性率の違いから生じる衝撃時間の差もないものと考えています。

※衝撃力は、{2×質量×(運動エネルギー-スポンジに吸収されたエネルギー)}^0.5/衝撃時間として算出しました。

しなりやすいほど、日本刀としての美観が損なわれるため、使いにくくなります。

ここでは、片持ち梁モデルにおける静的な曲げ変形について、曲がりやすさを比較します。

たわみの大きさδは、物質の弾性率(厳密には、ヤング率E)に反比例します。

先端の剣速12 m/sで振ったとき、それぞれの物質のヤング率とたわみの大きさは、次のようになります。

圧倒的にカーボンファイバーがたわみにくく、本物の日本刀に見えやすいと言えます。ポリエチレンやABS、アクリルを使うのは、現実的ではありません。

※丸棒の破壊は考えておらず、無限に変形できるものと仮定しています。

※断面二次モーメントI=3.1×10^-11 m^4として、δ=11mvL^3/120EIΔtで計算しています。ここで、F=10 N、v=12 m/s、L=0.65 m、Δt=0.1 s、mは質量、Eはヤング率です。

棒状の物体が破損するとき、折れるパターン(脆性破壊)と曲がるパターン(塑性変形)の2種類の機構があります。

どちらの機構が起こりやすいのかは材料に依存しますが、ここではどちらかの破壊が起こり始める応力の大きさと力の大きさを比較します。

静的負荷と衝撃を単純比較するのは、破壊可能性の評価方法として適切ではないため、ここでは静的な強度の3倍の圧力がかかったときに破壊が起こるものと仮定します。

カーボンファイバーがもっとも適していると言えますが、この計算結果はカーボンの芯が絶対に折れないことを保証するものではありません。

折れた芯が刺さって怪我をする可能性があります。弊社では、芯の根元にガラス繊維テープを巻いて補強するなどの対策を講じていますが、使用する際は十分留意してください。

※σ=Flr/Iの応力σに強度を代入することで最大負荷F_maxを求め、その3倍を最大衝撃力としています。ここで、l=60 cm、r=2.5 mmです。

ラバー刀の芯に適した材料の考察

コストを考えない場合、安全性やリアリティの観点から、ラバー刀にもっとも適しているのは、カーボンファイバーであると考えられます。実際、弊社ラバー刀の芯には、カーボンファイバーを使用しています。

ただし、本物の日本刀でも言われるように、折れずに曲がるほうが直しやすいというメリットがあります。あらかじめ芯を曲げておけば、日本刀特有の反りを再現することも可能です。

その上、残留応力が衝撃を打ち消す方向にはたらけば、衝撃に強いラバー刀ができる可能性もあります。ただしその場合は、峰打ちの強度が通常より弱くなるでしょう。

演劇などミスが許されない場面においても、折れるよりは曲がったほうがごまかしがきくので、衝撃が大きくなったとしても、アルミニウムのほうが適しているかもしれません。その場合は、なるべく芯を太くして、剣速を遅くする必要があります。

今回は、芯の材料によって、ラバー刀にどのような違いが出るのかを考察しました。

今後、ラバー刀を自作したり購入したりする場合は、ぜひとも参考にしてください！