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|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(形变)能量的体密度(单位：J/m3)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(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。
