作者：曹则贤(中国科学院物理研究所)本文选自《物理》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，.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。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(pushcut)；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(slicecut)。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44.7GPa，而其杨氏模量约为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(serratedknife)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。图2石斧2古代金属武器随着人类对自然认识的深入，人们发现了铜矿、锡矿和煤矿，从而进入了青铜器时代。从石器时代到青铜器时代要经过陶器时代，考古学上似乎对陶器时代不是特别看重。笔者以为，从科学的角度看，陶器时代的重要性绝不逊于青铜器时代。陶器与人类用火有关，水加土得泥，泥加火方得陶。陶器时代带来了模范制作工艺、炉灶垒砌技术和高温技术，这些为青铜的冶炼奠定了技术基础。人类用陶罐打水，发现罐口垂直于水面朝下时无法把罐子装满，确立了空气是一种实在的存在，这在未来的化学和热力学发展史上是浓重的一笔。陶器至今依然在广泛使用中，却鲜有再制作青铜器的了。世界各地不同古文明进入青铜器时代的时间有所不同。我国的青铜器时代，按二里头文化推算，大约始于公元前两千年，目前没有定论。青铜器铸造技术在商朝就已经非常成熟，有大量出土的文物为证。所谓青铜，就是铜与锡、铅、锌等元素的合金。铜矿和比较稀少的锡矿很少出现在一起。古人是如何将铜矿石和含锡、铅、锌元素的矿石(比如锡石，SnO；白铅矿，PbCO)同炭放到一起烧，从而发现了青铜并大体固定下来化学成分的，目前没有确切的、有说服力的证据。按照目前的说法，青铜是含约12%—12.5%的锡，少量的锌、铝、铅、锰等金属元素，以及砷、磷、硅等非金属的铜基合金。青铜具有熔点低(一般低于℃，可以低至℃，比铜的熔点℃低得多。记住，在一个时代所具有的加热技术能达到的极限温度处，低1℃都是优点)、硬度大、耐腐蚀、适于铸造等特点，因而被用来制作各种器皿和武器。在青铜器时代，青铜是最硬的物质，故而会被用来制造戈、矛、剑、钺、戟、铍(即长矛)等用于劈刺的兵器，当然也会用于制造盔甲、面具等防御性装备。由于青铜具有耐腐蚀的特点，这使得我们能够目睹三千多年前先辈们精湛的铸造技艺(图3)。《史记·黄帝本纪》云：“帝采首山之铜铸剑，以天文古字铭之。”从出土的一些青铜剑实物来看，这些记录不是虚言。图年出土的青铜制越王勾践剑，距今约年约在公元前年，随着人类获得高温的能力不断提高，人类进入了铁器时代。虽然青铜的维氏硬度(Vickershardness)约为60—，高于铸铁的30—80，且青铜器耐腐蚀，但青铜时代最终还是让位于铁器时代，因为锡矿的缺少让青铜冶炼难以为继，而铁矿石则大量存在。尤其重要的一点是，后来的铁匠掌握了炼钢的技术，钢的力学强度优于青铜。西周虢国墓曾出土过短钢剑，系由块炼渗炭钢打制而成，可见那时候我国已掌握了炼铁和炼钢技术。不幸的是，铁和那时候的钢不耐腐蚀，出土文物所见的铁或钢制品常常都被腐蚀殆尽。不锈钢(含铬、镍、锰以及其他众多微量元素的合金，各有组分不同)是19世纪才出现的。由于铁的供应量大，随之出现了大量的铁制冷兵器(图4)。由于(钢)铁既有硬度又有韧性，故而被大量用于刀具的打造。特别地，铁还被用于制造各种农具，如锄、犁、镐、锨、镢头等，极大地促进了农业的发展。钢铁自铁器时代以来至今一直是制作武器的主要材料。图4铁枪头。铁制兵器的特征是会生锈3物理的眼光看冷兵器到了近代，即以我国观之，人们以木材和(钢)铁为材料发明制作了大量的冷兵器。我国早有十八般兵器的说法，即刀、枪、剑、戟、斧、钺、钩、叉、鞭、锏、锤、挝、镋、棍、槊、棒、拐子、流星(锤)。十八般兵器，泛指，其内容在各个时期会有所不同。从物理的角度对于各种兵器加以审视，会是很有趣的。比如，参照上一节关于兵器作用方式的描述，可以发现这些冷兵器从其作用方式来看，可分为带尖儿的、带刃儿的、带钩儿的和纯粹用于击打的钝器。所谓的十八般兵器都属于格斗兵器。使用兵器格斗，当然希望伤敌而不被敌伤，故古代征战中兵器以长枪大戟为首选，有“一寸长、一寸强”的说法。然而，长枪、大戟的长度相比刀、剑也只是略有增加，因为它受人体自身尺度的限制——四十米长的大砍刀不是那么好驾驭的。此时，我们自然会

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