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发展了上万年的人类,准备摆脱对“动能武器”的痴迷了吗?

已有 800 次阅读 2020-5-7 11:25 |系统分类:科普集锦| 历史


以自然的视角看来,人类可能是这个星球上最奇怪的生物。
 
经过数千年的进化,人类终于做到了——把一个不姓贝的小伙子扔到自然环境中,他十有八九无法独力存活下来。作为没有尖锐牙齿与锋利爪子的弱小生物,我们得以在这个星球上生存的重要原因,是对工具的发明与使用
 
而面对其他物种甚至同类的威胁,用于提高人类攻击效果的武器发展,更显得尤为重要。

存在于想象中的机甲 堪称单兵武器的“究极形态”
 
但你有没有想过,千万年前荒野中人类先祖掷出石块的一击,与现代全副武装的士兵拿起枪械射击敌人的攻击,其实并没有本质上的差别。因为我们人类历史上不管怎么发展武器,始终脱离不了以增强动能为主流的固定思路。

人类武器的进化,本质上就是一部武器动能逐步增强的发展史。
 
古墓丽影系列游戏中 劳拉逐渐增强的武器其实就是沿着人类武器发展历史脉络推进的


原始社会中,人类使用凿尖了的骨片、石块做武器,也有将锐器固定在木棍顶端的矛式原始武器出现。这些武器始终是纯粹依靠人力挥舞来进行攻击,因此它们能产生的攻击动能也与人体出拳能量的极限差不多,约为100焦耳(*此处为估算值)


但在约1万年前,一种“新型武器”的出现改写了整个人类的狩猎及战争史,那就是投石索(Sling)
 
投石索的制作方式十分简单:找到一条绳子,中间缝上一个装载石头的兜囊,绳子末端制成一个圆圈。使用时,装填石块后把圆圈套在手指上,再捏住绳子另一末端。甩动兜子的过程中在适当的时机松开手指,兜中的石块就会沿切线飞出。

以色列民众用投石索对抗无人机
 
可别小看投石索的威力,经过甩动加速再释放,投石索掷出的石块可以拥有惊人的速度。我们以一颗重0.5kg的石头为例,假设其飞出的速度为30m/s,则根据动能公式    可得它的攻击动能约225焦耳,直接将原始攻击力翻了一倍有余。

在古希腊文献的记载中,一支训练有素的投石兵队伍甚至可以与骑马的弓箭手稍作对抗。而《圣经》中战胜巨人歌利亚的大卫,使用的武器即是投石索。

米开朗琪罗的大卫雕像 其肩上正是那条大名鼎鼎的投石索
 
吉尼斯世界纪录中,投石索掷出的最远记录长达437.1米,而在现代实验中投石索的最高攻击能量可以达到400焦耳。这意味着在兵器不甚发达的远古时期,投石索简直就是战场上的作弊神器。

到了现代,投石索也并未完成消失。它被广泛运用在狩猎、放牧、游戏以及武力冲突中。甚至现代战争中也曾有这种远古神器的身影——1939年苏联与芬兰的冬季战争中,奋勇抵抗的芬兰人曾使用改装后的投石索发射莫洛托夫鸡尾酒燃烧瓶来对付苏联坦克,最终获得了出人意料的极佳效果。

西藏牧民用来驱赶牲畜的投石索 当地称之为“吾尔多”


在冷兵器时代与投石索类似,但是知名度高到简直家喻户晓的兵器,就是弓箭了。投石索是利用绳索甩动过程中产生的动能来加速石块进行攻击,而弓箭则是利用弓的形变储存的能量来给予箭更大的攻击动能。
 
从这点上看弓箭对于动能的运用确实是比投石索更上了一阶。
 
一开始弓的造型及动能原理都较为简单,被称为“直拉弓”的初代弓就是纯粹靠弓身弯曲的反作用力来进行射击。在这样的情况下,为了获得更大的威力及更远的射程,弓箭手就需要制造尽量大的形变。
 
那么弓越长,也就意味着它能达到的形变与动能极限越大,当然对弓箭手的要求也就越高。将直拉弓做到极致的,当属历史上的英国长弓。这种中世纪长弓一般长达两米,其有效射击范围可以达到一百米。

英式长弓(English Longbow)

 

从动能数值上看,直拉弓的表现较为一般。2006年的一项测试结果显示,英国长弓的最大射击动能约在120~160焦耳之间。但是由于箭身狭长箭头尖锐的特殊设计,使得箭矢在飞行过程中受到的阻力减小,箭身上的动能又集中于箭尖一点,因此其攻击力毫不逊色于之前的投石索。


在英法百年战争期间,开战之初的三场英格兰人大捷战役都是长弓手的主要功劳。

 

直拉弓到2米已经是单人操作的极限,那么有没有办法在保持轻便易操作的前提下继续增强弓箭的最大动能呢?可以追溯到公元前八世纪的反曲弓给出了答案。

 

呈起伏形的反曲弓臂特征明显


反曲的弓臂使得弓可以承受更大的拉力,这也就意味着在同样的弓身长度下,反曲弓可储存更多的能量,从而使得射出的箭拥有更高的动能。因为反曲弓可以在保持威力的同时被制作得更短,因此它更受不便携带长弓的骑射手青睐。
 
因为反曲的造型更科学实用,所以现代竞技、打猎、甚至作为自卫武器的基本也都是反曲弓。当然随着现代科技的发展,我们已经出现了结合滑轮等工作原理的机械复合弓,它们拉动轻便威力惊人,配合上瞄准镜能打出几百米的精准射击效果。

复合弓
 
但不管是投石索还是弓箭,它们在很多国家与地区都未被列入管制兵器的领域。其主要原因倒不是它们的威力不行,而是“人不行”。怎么说呢?因为投石与射箭都是十分考验技术含量的运动,操作者的力量与技巧决定了攻击的效果
 
英国长弓手之所以举世闻名,最主要的原因并不是长弓。最主要的原因是当时英格兰在每个教堂附近配备一个靶场,并规定每周日做完弥撒后大家都得去练习弓术——弓箭手的培养,才是最困难的事情。
 
为了解决这个问题,同时也为了进一步追求更强的武器动能。在中国的春秋战国时期,还有公元前5世纪的希腊,东西方都出现了一种基于弓箭改造出来的加强型动能武器,那就是
 
战国时期的青铜弩机

弩的原理其实就是在弓的基础上,沿着箭的位置加装一个带弩机的弩臂。弩机用来固定拉开的弦,之后只要扣下机关,弩机一撤下弓弦随即弹回,弩箭射出。我们以前很多常见的雨伞收放,使用的正是与弩相同的原理。
 
有些人或许会有疑惑,就算有了固定点还不是得用同样的力气上弦,动能又能增大到哪里去呢?那你可就太低估古人的智慧了。弩这种结构出现不久后,中国就发明了蹶张弩、腰张弩这种能加大动能的武器。
 
所谓蹶张弩,就是可以同时利用臂、足及膝之力张开的弩,用脚蹬着地上弦;而腰张弩的设计更进一步,让使用者需要坐在地上,用脚蹬着弩臂,再双手扣着弩弦用腰力往后拉来全力上弦。这样弩箭的动能威力,自然是比弓箭又高了许多。

古籍中记载的腰张弩使用方法
 
西方也一样,从十二世纪开始在欧洲普及,各种拉弦的工具也相继被发明出来。运用杠杆定理的拉杆式弩、推杆式弩,运用滑轮定理的齿轮式弩、滑轮式弩等等
 
上弦方法与工具的发明,不仅使弩箭的威力越来越惊人,更重要的是它们顺带着解决了射击手难以培养的问题。弩箭好上弦,固定的模式又降低了瞄准与射击的难度,中国弩甚至加了望山这种辅助瞄准器,使得一个训练几个月的弩手轻易就能伏击杀死一个训练十来年的骑士
 
上述的四种西方常见拉弦器

由于使用弩不需要太多的训练和技巧,又能拥有极大的杀伤力,在崇尚骑士精神的西方引起了很大的争议。公元1139年的拉特朗宗教会议中,教廷下令严禁基督教徒在武装冲突时使用弩。(但是并没有人遵守)
 
冷兵器时代的动能竞赛,最终由弩箭夺下桂冠。
随后火药与枪械的出现,又将动能武器的发展带入了一个全新的篇章。
 
火药源起于中国,据传其发现者是古代喜欢将各种物质混在一起毒死自己或者皇帝的炼丹术士们。他们发现硫、炭与硝碾碎混杂后竟然能变成会燃烧爆炸的物质,由此发明了烟花爆竹。

关于火药最早的文字记载见于唐初医学家孙思邈的《丹经内伏硫磺法》,其中的制作方法已经很成熟稳定。

武学古籍《武经总要》中关于制作火药的记载
 
在中国,火药作为武器的应用最早在宋代,有一种叫做“突火枪”的武器。使用大毛竹做成的枪管,内填黑火药,点燃后可以喷出火焰和烟。因为它的喷出物不含子弹,所以对人体其实没有太大的杀伤力。只是“可以熏人耳目,声闻一百五十步”——简而言之,很吓人。
 
到了元朝,在枪管中填入铁弹丸的火铳终于出现了——这是我们第一次利用火药产生的动能来制作武器。明朝火器的使用才渐渐普及开来,传说中的神机营就是这一时期专门掌管火器的特殊部队
 
但此时由中国传出去的黑火药,在西方武器上的运用已经发展得很好了。明朝时鸟铳从葡萄牙传入中国,提高了射速的弗朗机(葡萄牙古称)炮也在此时震撼了中国朝野。

最早期的火药枪械原理
 
至于西方对火器的运用,是由16世纪的火绳枪开始的。其工作原理与火铳类似:将火药与铁弹丸同时塞入枪管中,再利用在狭小密闭空间中引爆火药产生的动能推出弹丸,从而击中敌人造成伤害。

火药能够制造的攻击动能有多大呢?1988-1989年间奥地利格拉兹军械库一项对于旧枪械的测试研究给我们留下了珍贵的研究数据,根据他们对于格拉兹旧滑膛枪的测试,弹丸推出枪口的初始速度达到了454m/s。
 
使用火药的枪械初始动能巨大,但是由于弹丸造型及重量的影响,其有效射程其实很短——只有50米左右。这也就造成了当时两军对垒,指挥官往往指挥者双方队伍排成整齐的队列,走到几乎脸贴脸来对射的场面。

1815年的滑铁卢战役 由于火药枪械的武器的加入 造成了日均伤亡近5万人的前所未有惨烈场面
 
为了解决火枪动能不足的问题,弹道学出现了。通过对球类运动的研究,人们发现旋转过程中的球体飞行更加稳定,也能飞得更远。于是枪管内壁也被加入了螺旋式的纹路,让子弹旋转着飞出。这就是从滑膛枪到线膛枪的演变。

由于在枪管内增加了摩擦,大多数线膛枪弹丸的初始攻击动能是远小于滑膛枪的,但它的打击精准度以及射程得到了很大的提升。由这一步开始,人类其实也不再执着于从根本上提高武器的攻击动能上限,同时关注起其攻击速率、精准度、攻击范围等等综合因素。

毛瑟1898式栓动步枪 能打出3400焦的巨大动能上伤害

当然了,尽管现代武器的动能对于击杀敌人已经是绰绰有余到过剩了,刻在人类骨子里对于巨大动能武器的追求却从未停息过。

毕竟,动辄几百万焦能量的坦克炮弹才是曾经战场上的主宰。更别说再往上还有布朗利博士研发未遂的足以对付外星人,赌上全地球人希望的核动力井盖了。


Peter Krenn.Paul Kalaus.Bert Hall. Material Culture and Military History:Test-Firing Early Modern Small Arms 
Discovery Knowledge. Weapons of War.2017.10.22
Wikipedia: Sling. Bow and Arrow.Crossbow.Gun.Muzzle energy




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