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发表于 2006-1-30 02:53:00
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Re:恼火。希望同仁支持大量搜集中国古代将军铠甲
欧洲中世纪整体式板甲和钢弩是落后的设计[原创]
很多人认为欧洲中世纪出现的整体式板甲是铠甲发展的顶峰，其防护力最好，而且认为中世纪西方用钢做弩也是弓弩射击兵器的发展顶峰，
事实上这是两个完全错误的认识。
如果想比较板甲和鳞甲的防护力，只要分析一下它们受打击后能量的去向就可以了：
1．受到箭击之后，箭的能量去向是：
击中前箭能量=穿透后箭能量+甲动能+甲撕裂变形的能量
关于甲片面积对受力的影响,
有人说要考虑受力等值线分布的影响，
“甲撕裂变形的能量”就发生在箭头打击处以及周围很小的面积上，是最大的能量损耗部分就发生在这里，而周围更大的面积的能量已经很小以致于根本没有形变，
箭头很尖,所以接触面积极小,而鳞甲面积虽然比板甲小的多，但如战国出土的铁甲叶面积40平方厘米，汉代有100平方厘米的。
鳞甲的面积是这个打击面积的数百甚至上千倍。
打击物的能量绝大部分都集中在接触区域，而周围的几十倍的面积上的能量很小，小到根本不会产生变形，而且随着距离增加而大幅度降低，到了边缘所谓的变形能量早就可以忽略不记了。
况且即使有能量传到鳞甲边缘，也不是停止下来，而是通过丝绳皮革等继续向四周传递，而且这些材料的柔韧性和弹性以及蓄能能力比铁要好的多，所以鳞甲的能量传递范围比板甲要大的多。
所以，鳞甲的面积已经足够，在远远大于打击面积的情况下，受力和板甲是相同的，变形消耗的能量是一样的。
如果我们在制作材料一样的情况下比较，受到同样的箭的打击受力面积也相同，那么甲撕裂变形的能量可以看作相同，因此穿透后箭能量也就是人体所承受的能量就取决于甲动能的大小。
由于静摩擦力大,人被箭打击根本不会动，就相当于人和地面是一个整体，
静摩擦力的位移为0,做功也为0,所以箭人甲系统对外不做功,当然能量守恒定律适用.
就和这题的情况一样:
由于人体根本不动，
所以人体就相当于这个图中的墙,它也是不动的,
B物体相当于箭,A相当于甲,弹簧相当于甲衣内的垫层,
当然答案是A小,则A的动能大，弹簧压缩势能大。
根据机械能动量守恒定律列方程：
mv=(M+m)V
1/2mvv=1/2(M+m)VV+E
m为箭质量，v为箭打击前速度，为一定的数值。
M为铠甲质量，E为刺入势能。V为铠甲移动的速度。
由于板甲面积大，质量大，于是受到打击后的速度V就小，而动能和M成正比，而和V的平方成正比，这样质量大的板甲相对来说动能就小多了。
如假设板甲的质量是鳞甲的10倍，那么代入上面的方程，根据动量守恒，碰撞后它获得的速度是后者的1/10，速度的平方，就是1/100，尽管它的质量大10倍，但算下来动能仅为鳞甲的1/10。
举个例子，假设鳞甲面积是板甲的1/10
假设穿透同样材料的甲需要的能量是50焦耳，
箭的能量是70焦耳，打中甲后，鳞甲的动能是30焦耳（这个30焦耳就是向人体压迫的能量，但它的作用面积比箭头大多了，不对人体构成伤害）这样剩余的能量仅有40焦耳，达不到使甲穿透的能量。
而板甲的动能仅3焦耳，这样还剩67焦耳，板甲绝对要打穿了。
显然板甲分散的动能比鳞甲低的多，剩余了更多的能量用于穿透，因此板甲更容易被箭穿透。
而且鳞甲还可以通过丝绳等向别的甲片传递力和能量，丝绳的韧性远比铁强，蓄能也远比铁强，
这类柔韧的材料传递机械能的性能比刚性大的铁要强多了。
所以,鳞甲更能把能量传递到更大的面积上。
而板甲就只能是局部变形.
现代防弹衣也是这个原理：
“不同的防弹要求,对应于不同厚度、不同重量和不同材料的防弹插板。当射体与防弹衣接触时,首先是硬质防弹插板与之发生作用。在这一瞬间的接触过程中,射体和硬质防弹材料都有可能发生形变或断裂,消耗了射体的大部分能量。高强纤维织物作为防弹衣的衬垫和第二道防线,吸收、扩散子弹剩余部分的能量,并起到缓冲的作用,从而尽可能地降低了非贯穿性损伤。”
（《防弹衣的性能与发展趋势》《山西警官高等专科学校学报》第12卷第4期）
只不过对于古代的箭来说，速度比子弹低，衬垫的缓冲效果更加明显。
此外还有受力阀值问题，
我们在生活中经常遇到这样的情况:
如大块玻璃掉地上肯定碎,而小块玻璃却相对更不容易碎.所以搬运大面积玻璃的时候非常小心.
如整块砖头甚至可以用掌劈断,但碎砖头要想再劈断就更不容易了，
长的棒也可以看作宽度很窄长度很长的物体,
如长铁条很容易弯,而短铁条却不容易弯的多。
当然换成铁尺也一样。
同样的材料,为什么小面积却表现出更高的强度和更不容易变形的特性?
因为受到的力矩不同,小尺寸物体受到的力矩要小.力加在一个位置，就相当于以边缘或另一端为支点的力臂了.
对于同样材料和厚度的甲,力小的做功距离大，力大的做功距离小，所以能量的阀值应该一样，但力的阀值就不一样.
力的阀值不一样的话，差别还是很明显的，如果阀值低,力超过后能量必然以另外的方向释放，
这就是说板甲穿了后，能量直接向人体释放.
而鳞甲不到阀值不穿，能量还是直接施加在甲上,转化为甲和箭的末态动能.
所以,即使不考虑动能的话，由于被打击后鳞甲面的力矩小，所以就有可能在同样的箭速度打击下，冲击力相同，这个力超过板甲阀值,却没有超过鳞甲阀值,所以板甲破了，而鳞甲没破。
“南北战争时期的钢制胸甲,二战时期用赫德费尔特钢制成的防弹夹克,都是整体式钢质防弹衣,是早期防弹衣的代表.”
“20世纪80年代末期,我国研究军需防护装备的专家周国泰和他的同事们研制成功"护神"系列防弹背心,是国产防弹衣的代表."护神"防弹衣以特种钢为防弹材料,采用"鳞片"结构,使硬体得到"软化",具备了其他硬体防弹衣无法比拟的特性”
（《防弹衣的性能与发展趋势》《山西警官高等专科学校学报》第12卷第4期）
事实上现代防弹衣也是早就抛弃了分散动能弱的板甲式设计，多数采用鳞甲模式，少数使用整体式硬甲的也是比较低档的产品，或者使用特殊材料是整体式硬甲甲板的质量在2KG以内，比当年的中世纪板甲轻了10倍，分散动能的能力也是强了10倍。
"关于世界上第一件防弹衣的诞生地，有文献认为是英国，该防弹衣由纯钢制成，重达10KG，看上去就像欧洲中世纪武士的铠甲，它只能抵挡低速流弹和碎弹片对士兵的伤害。
在第一次世界大战中，出现了以天然纤维织物为服装衬里配以钢板制成的防弹衣。1945年6 月美军研制成功铝合金与高强尼龙组合的防弹背心。"
（《防弹衣概述》《中国个体防护装备》 2003年 05期）
看来钢板甲式的防弹衣在一战前就淘汰了，
而且后来的发展方向都是纤维+硬质片。
钢板甲式的只能对付低速流弹。
而钢鳞甲模式的，如“护神”系列，却能防现代枪弹的近距离射击，而使用钢这种落后的材料，却能完全达到现代使用要求，能和强度5倍于钢的凯夫拉一争高下，这更证明防御模式的先进。
今年9月17日参考消息第五版,
转英国《焦点》期刊的文章：
“金属盔甲只能在一个“点”上吸收子弹的能量，并且会在此过程发生变形，在盔甲上留下一个子弹大小的坑”
（看来确实是受力面积很小）
“另一种方法是利用缓冲方式来吸收子弹的冲击力，就象利用一张网去接住一个球一样”
（鳞甲模式就是这样，而且既有金属变形吸收能量，又有纤维依托以缓冲方式吸收能量，无论如何都比只有一种能量吸收方式的板甲要高明的多）
接上引文：
“蚕丝张力强度是钢的两倍”
（看来连接丝绳的强度绝对不用担心）
这个期刊还给出了一个未来防弹衣图，
“龙皮”背心
“由鱼鳞般的圆片叠加而成，灵活而有弹性”
这可是典型的鳞甲，说明鳞甲模式正是防弹衣发展的趋势。
2．至于甲片分散的动能的最后去向，这个动能就被甲衣的垫层吸收，虽然鳞甲获得了远比板甲高的多的动能，对人体产生压力，但由于鳞甲的面积是箭头面积的成百上千倍，这样造成的压强很小，对人体不产生伤害。
鳞甲也有多种，如有用牛筋绳连接的，也有镶在皮革上的，它们有足够的上下活动空间，当一个鳞甲活动时通过绳带动其他甲片活动，这样就会将动能传递到更大的范围。
而如图的板甲，前后两块接触，而且紧贴，显然运动空间小多了，对于分散动能更加不利。
3．至于板甲的弧型设计，
像二战后苏制T-55坦克的半球蛋型炮塔也是弧型，对一般枪弹确实有打滑的作用，但长杆型脱壳尾翼穿甲弹出现之后，这种坦克很快过时了，现在俄国和中国都已经陆续抛弃了这种半球蛋型炮塔设计，显然这种弧型设计对长杆带尾翼的打击物的分散效果并不有效，而箭就是典型的长杆尾翼型设计。
而且从上图可见，这种板甲的弧度并不大，平坦的地方不小，甚至有凹痕，可见对箭的稳定性不会有多大影响。
4．还有制作材料。
制作铠甲的材料不能太硬也不能太软。太硬的话太脆，而甲必须有一定的变形能力，受到打击后能适当变形抵消一部分能量。
如要说硬，陶瓷和生铁够硬了吧，但可没有人用它们做甲。
钢铁要经过淬火后才有足够的硬度，但淬火后铁也会变脆，对做甲不利。
最好的办法就是冷锻，冷锻即可以大幅度提高铁的硬度，又能够保持良好的韧性。
西汉徐州狮子山楚王陵就有出土的炒钢冷锻甲，此外当然就是《梦溪笔谈》上记载的宋代的瘊子甲了，50步强弩都射不穿。
5．欧洲板甲的出现，与当时骑士阶级的作秀作风分不开，而且当时骑士用兵器多数是重剑巨矛等，对于这类打击面积大的兵器，面积大的板甲的分散能量效果就好多了。
当时欧洲的射击兵器都很落后，如十字弓用钢来做，事实上钢是最差的做弓蓄能材料，
An Approach to the Study of Ancient Archery using Mathematical Modelling Antiquity 71271) 124{134 (1997)
在这篇论文给出了不同材料的蓄能情况:
steel 1300 kgf cm/kg
sinew 动物腱 25000 kgf cm/kg
horn 动物角质 15000 kgf cm/kg
yew 紫杉 11000 kgf cm/kg
maple 枫木 7000 kgf cm/kg
glassfibre 玻璃钢 43000 kgf cm/kg
可见钢是最差的，
钢臂的蓄能仅为复合弓材料的1/15.
这是现代弹簧钢的数据，而中世纪欧洲的钢硫含量超标，脆性大，蓄能应该还要小的多。
(英)泰利柯特(Tyiecote,R.F.)著《世界冶金发展史》 上如此讲：
而且钢的变形能力相对差,虽然变形需要的力大，但变形程度小，所以能量就小的多了。
欧洲的钢弩尺寸都很小，弓臂很少超过80厘米的,所以限制了弦的初速度,开弓距离也很短,有的仅十几厘米，做功距离短释放的能量更小。
钢弩弓身的质量很大，如一个弓臂80厘米的十字弓已经是非常大的型号了，比一般实战的十字弓还大的多，弓臂重近4公斤，然而它的蓄能极限仅相当于0.27KG的复合弓，而且做弓距离可小多了，三十多厘米而已。
弓或弩释放的能量转化的方向是箭能量+弦能量+弓臂能量，弓臂越重越不利，而如此重的十字弓臂消耗的能量占了很大一部分，而且弓臂太重，弓臂的运动速度就小多了，因此弦速度也被大大限制，箭的初速度就更小。
出土的秦弩弩臂长75厘米，弓身长达125厘米，无论是箭导轨长度、做功距离还是蓄能能力，远比十字弓强的多。
小尺寸大拉力的弩当然无法用坐姿蹶张法开弩,因为腿根本伸不开，无法用到最大蹬力，用绞盘开确实是明智的选择。
根据当时人的身高推算，这个实战的弩弓身不过５０厘米，弩臂倒是很长，达１米以上，可是大部分当作手持的托，弩机在一半的位置上，做箭导轨的不过是弩臂一半的长度，肯定精度不好，而且拉开距离更短，看来不超过２０厘米，这样的弩威力是比较弱的。
还是在那篇论文里给出了不同弓的蓄能情况：
“长弓 9000 kgf cm/kg (882 J/Kg)
鞑靼弓 20000 kgf cm/kg (1960 J/Kg)
土耳其弓 20000 kgf cm/kg (1960 J/Kg)
现代弓 30000 kgf cm/kg (2940 J/Kg)”
上面也看出，长弓紫衫木的蓄能还不到复合材料的一半，其威力和效率是远不能和复合弓比的。在这篇论文里：On the Mechanics of some Replica Bows.Journal of the Society of Archer-Antiquaries 36:14-18 (1993) 提到660g重的长弓，拉力能达到36公斤，
而清朝武举用的中等弓，重量６５０ｇ，拉力达５０多公斤，效率和威力比长弓强的多。（《清代满族弓箭的制作及管理》《广西民族学院学报(自然科学版)》 2004年03期 ）
而明朝的弓效率比清弓还高，明弓比清弓短，而材料相似，而大家都知道物体越短的话越不容易弯，因此拉力更大，复合弓弹性好能提供足够的变形空间，明弓的长度和土耳其弓差不多，拉弓距离也就是也在70厘米以上，而比后者还要稍轻一点，因为明复合弓的弓胎用竹，竹材料比木材料更轻一些，而强度有过之而无不及。
不过大家不要以为这是一般的竹木材料，制弓时，要经过油漆浸渍->干燥->油漆->干燥等复杂的工序，油漆干燥时，其不饱和脂肪酸的双键被氧攻击而打开，互相间形成醚键而交联。木、竹纤维的主要官能团羟基也可以攻击双键，在干燥条件脱水而与油漆互相交联。这样形成的复合材料，和纯木、竹全然不同。还有其他的如角、筋、胶等材料的参与，远比单一材料要强劲的多。
《天工开物》中记载，“上力挽一百二十斤”，“上力挽强者，角与竹片削就时，约重七两，筋与胶、漆与缠约丝绳,约重八钱。”，明朝的一斤为16两，相当于现在的590克。这样一个加上弦总重不过300多克的复合弓，拉力达到70公斤，效率和威力更是长弓不可比。
就是这两种威力不过而而的长弓和十字弩，在整体式板甲面前可是风光了数百年，把整体式板甲逼到重的变态的程
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发表于 2006-1-30 05:45:00
发表于 2006-2-1 15:11:00