古代武器中的物理学(2)

图1 皂角刺、蒺藜与人造铁蒺藜
大自然里还有一类坚硬且薄的存在，比如蚌壳的边缘、石块的边棱等。锋利的薄片有切割的功能。将锋利的薄片及其边缘之间的关系看成是一个面与其一条边界线的关系，姑且描述为刀平面及刀刃，则刀的功能取决于运动方向同刀平面、刀刃这三者的取向关系。如果运动方向垂直于刀平面，这大约对应于常说的刮、刨(push cut)；如果运动方向在刀面内且同刀刃垂直(向外)，这大约对应切、砍、剁、斫、斩；而如果运动方向在刀面内且沿着刀刃，这大约对应搳、剌、割(slice cut)。各种带刃的器械，其功能不过是用来切割、分割，但具体使用行为却是个非常棘手的话题，与被切割对象的力学性质、刀刃的微结构和用力方式有关。进过厨房的人都会注意到，搳、剌一般比切、砍容易一些；而用过剃须刀的人会注意到，制作不合理的剃刀片容易出现剌伤(地球上能制造出合格剃须刀片的企业不多，因为很少有人意识到这里还需要力学和材料科学)。
刀刃容易划伤，一个显然的理由是材料的剪切模量要比杨氏模量小得多。举例来说，铜的剪切模量约为44.7 GPa，而其杨氏模量约为110 GPa。另一方面，刀刃的显微照片表明它还是锯齿状的，当刀刃沿着刀刃的走向运动时，容易造成损伤。实际上，为了更有效地切割，锯齿刀(serrated knife)是更好的设计。刀切割、砍剁不动的物品可以用与刀同样材质的锯子轻松锯断。刺刀是刃和尖刺的综合。
没有尖刺、薄边的物体，哪怕是圆钝如球，如果以足够大的速度撞击到其他物体上，也会造成损伤。在自然界中，外来的小行星、陨石，山上滚落的石块，甚至是天上落下的小冰雹，大风刮起的沙粒，都教人们见识了被快速运动物体砸上会有什么样的效果。这些物体的击伤效果同其动能有关，未来人们会制作出专门的动能武器。
基于以上关于自然的认识，人们用兽骨、蚌壳、石头、木材制作了骨针、石刀、石斧、石镞、石钺和石铲等多种原始武器(图2)，用来狩猎或者防身。随手捡起的石头、木棒也是天然的武器。