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。
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。
定义压强为F/A,其中F为施加的力,A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,但理解为能量的体密度才更接近其本质。尖刺的面积小,因此能产生极大的压强,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。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。
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。经过厨房的人都会注意到,割、刺一般比切、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刺伤。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。
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1000℃,可以低至800℃),硬度大、耐腐蚀、适于铸造等特点,因此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,故而会被用来制造矛、戟、剑、钺、戟等用于劈刺的兵器,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。约在公元前1300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约为60-260,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。由于铁的供应量大,随之出现了大量的铁制冷兵器。
到了近代,人们以木材和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)。十八般兵器是泛指,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。
为了增强兵器的攻击距离,人们发展了软兵器,包括鞭、流星锤、三节棍、绳镖等,这些兵器的特点是携带时是短的,但在攻击的关键时刻可以达到比较远的范围。物理学告诉我们,在地球表面让一个物体达到远处必须赋予其足够的初速度,因此如何对物体加速就成了增强武器攻击距离的关键。古人肯定无法想象,有一天地表上武器的射程能达到两万公里,而为了攻击太空目标,对武器射程还会有更高的要求。
结束语武器是人类因生存需要而自然产生的。最初的武器来自大自然。古代人在生产活动中逐渐学会了制陶、采矿和冶炼,有了金属制兵器。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,人类制作了弩和抛石机,极大地扩展了武器的攻击距离。抛石机是人类制作的第一批机械,基于此产生了机械这门技术行当和力学这门科学。军事与物理学之间的相互促进,从抛石机被应用的那一刻开始了。
这个世界上最重要的物理学奖来自诺贝尔奖,诺贝尔奖还有个别名叫“炸药奖”,这或许不只是巧合吧!