欧洲整体式板甲和钢弩是落后的设计

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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

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。

根据机械能动量守恒定律列方程:

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。“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。

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.

而且钢的变形能力相对差,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)

***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,

而满清武举用的中等弓,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度。


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意淫中的最强盔甲

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