古代武器中的物理学

|作者：曹则贤
(中国科学院物理研究所)
本文选自《物理》2023年第6期
本文原载于：曹则贤. 军事物理学. 上海：上海科技教育出版社，2022. pp.13—30。转载时文字略有修改。
欲将轻骑逐，大雪满弓刀。
——[唐] 卢纶
武器因人类生存需要而产生，最初的武器来自自然的启发，用到的多是尖锐、锋利的物件。制陶、采矿和冶金带来了金属兵器的制作。基于对弹性、惯性、力矩、杠杆原理、抛体运动等概念的模糊认识，人类学会了制作弓弩、抛石机等弹射武器，极大地扩展了武器的攻击距离。抛石机是人类的第一种机械，由此产生了力学这第一门物理分支学科。
1 原始武器
人类在有意识地制作工具之前经历了漫长的演化过程，对自身从自然界获得的感受，特别是伤害，是有深刻记忆的。自然状态下人类所受到的伤害包括来自尖锐物的刺伤、来自坚硬物体薄边的划伤、来自运动物体的冲击，等等。参照这些伤害了自身的存在，人类学会了制作第一批原始武器，用于攻击野兽和同类。
尖锐物品除了鱼刺、兽角、兽牙等动物组织以外，也多见于植物。很多植物都会长出或大或小的尖刺儿来保护自己，比如麦芒、苍耳、蒺藜等。最夸张的要数皂角树，遍身长满成丛的、交错的硬刺，长度可达十厘米。这些给了人类的原始武器制作以最直观的启发(图1)。定义压强为

其中为施加的力，为着力部分的面积。压强乍看之下其量纲为单位面积上的力，但理解为(形变)能量的体密度(单位：J/m)才更接近其本质。尖刺的面积小，因而能产生极大的压强，这让尖刺能扎破物体造成破坏。物体抗挤压的能力被描述为硬度。