物理学在军事领域中的应用

主讲人：李庆丽目录•一、物理学在古代军事上的运用•二、物理学在近现代军事上的运用•三、物理学对于现代战争的意义•四、物理学在未来战场上的运用人类数千年的军事史，从某种意义上来说就是一部利用物理的力量进行作战和发明更优秀武器的历史。一、物理学在古代军事上的运用1.物理学在兵器上的应用在火药发明以前，军队里使用的兵器我们称它为冷兵器，所以我们把这段历史时期称为“冷兵器时代”。•石器时代•青铜时代•铁器时代冷兵器石器时代由生产工具演化而来石钺石镞从出土的青铜兵器来看主要有戈、矛、戟、钺、刀、剑、匕首等。青铜时代春秋时期夫差矛越王勾践剑铁器时代“中华第一剑”——玉柄铁剑冷兵器时代•冷兵器按材质分为石、骨、蚌、竹、木、皮革、青铜、钢铁等；按用途分为进攻性兵器和防护装具；按作战方式分为步战兵器、车战兵器、骑战兵器、水战兵器和攻守城器械等；按结构分为短兵器、长兵器、抛射兵器、系兵器、护体装具、战车、战船等。•上面所说的冷兵器无一不是力学知识在军事上的体现。在制作工艺上，工匠们追求的是兵刃的锋利、坚硬和韧性，因为只有锋利、坚硬而有韧性的兵器在相同压力作用下产生的压强才会更大，更易刺杀对方，而且更加经久耐用。秦朝兵器•司马迁在《史记》中记录了一次著名的谋杀事件。在秦统一中国前一年，强悍的秦军正准备消灭燕国时，一个叫荆轲的使者带着燕国地图来到秦国，献图投降是假，刺杀秦始皇才是真。史记上这样描述：刺客荆轲手持匕首，绕柱奔逃的秦始皇企图拔剑还击，三次拔剑而剑竟然不出。•司马迁解释说，秦始皇的配剑太长了，所以不能及时拔出来。青铜剑一般都是短剑，它无法做长的原因是青铜材料易折断。春秋战国时期，最负盛名的越王勾践剑，全长不过55.6厘米。青铜剑普遍宽而短，60厘米似乎是青铜剑的极限。这种长度的配剑随手就可以抽出，秦始皇怎么可能因为剑太长而拔不出来呢？对于这个解释，历史学家一直很困惑。•1974年，考古人员在兵马俑坑中发现了一把完全不同的青铜剑。令专家吃惊的是，这把剑的长度竟然超过了91厘米！可以推测，当年秦始皇佩带的很可能就是这种加长青铜剑。在刺客紧逼奔跑中，要拔出将近一米的长剑，确实不容易。在青铜时代，铸剑的关键是在冶炼时向铜里加入多少锡。锡少了，剑太软；锡多了，剑硬，但容易折断。秦剑做的化学定量分析显示：它的铜锡配比让青铜剑的硬度和韧性结合得恰到好处。•从二号坑出土的青铜剑，长86厘米剑身上有8个棱面，极为对称均衡。它们历经2,000年，从地下出土，却无蚀无锈，光洁如新。•尤为值得称道的是，这些青铜剑的韧性异常惊人。有一口剑，被一具150公斤重的陶俑压弯了，弯曲度超过45度。当陶俑被移开的一瞬间，奇迹发生了，青铜剑反弹平直，自然还原。这精湛的铸剑技艺，令人膛目结舌，却不知为何。用现代科学方法检测分析，这些青铜剑表面竟涂有一层厚约10微米的氧化膜，其中含铬2%。这一发现立即震动了世界，因为这种铬盐氧化处理是近代才掌握的先进工艺。据说德国在1937年，美国在1950年才先后发明并申请专利，而且只有在一套比较复杂的设备和工艺流程下才得以实现。秦人的铸造水平之高，真是不可思议。•在消灭了中原六国之后，如何对付剽悍的匈奴骑兵就摆到了秦始皇面前。当匈奴骑手高速冲锋时，传统的步兵很难抵挡。从历史记录来看，一种叫弩的远射兵器很可能在当时的战斗中发挥了主导作用。•在兵马俑坑，由于时间太过久远，弩的木制部分已经朽烂，但完整的遗迹仍可以复原当初的秦弩。与弓不同，秦朝重弩必须用脚蹬，借助全身的力量才能上弦。专家估计，这种秦弩的射程应该能达到300米，有效杀伤距离在150米之内。三弓床弩弓箭，弩箭是利用物理上的弹性器件储能作用工作的；其中尤以远程兵器最具有代表性，宋代的三弓床弩的最远有效射程高达1.5公里，许多近现代武器也无法达到这一效果。2.物理知识在古代军事防御上的应用•我们可以把吊桥看成一个以O为支点的杠杆。一个人通过定滑轮用力将吊桥由图示位置缓慢拉至竖直位置，这样既可以省力又非常机动灵活。古代几乎每一座城池周围都挖有护城河，护城河上装有吊桥，它的结构原理如图所示。3.物理知识在信息传递方面的应用•在信息传递方面，我国可以说是最早用光传递信息的国家。•据记载，早在2700多年前的西周，为了防备敌人的侵扰，向诸侯发出警报，发现敌情时，晚上在烽火台上烧起大火，白天在烽火台上烧狼粪使它冒烟，因此，烽火台是重要的报警设施。周幽王烽火戏诸侯周朝有个非常残暴而腐败的君主周幽王，他有个爱妃名叫褒姒，长得非常美丽。《东周列国志》“目秀眉清，唇红齿白，发挽乌云，指排削玉，有如花如月之容，倾国倾城之貌。”褒妃虽然很美，但是“从未开颜一笑”。为此，周幽王使出了一个赏格：“谁要能叫娘娘一笑，就赏他一千斤金子”。于是有人想出了一个点起烽火戏诸侯的办法，想换取娘娘一笑。一天傍晚，周幽王带着爱妃褒姒登上城楼，命令四下点起烽火。临近的诸侯看到了烽火，以为西戎(当时西方的一个部族)来犯，便领兵赶到城下救援，但见灯火辉煌，鼓乐喧天。一打听才知是周幽王为了取乐于娘娘而干的荒唐事儿，各诸侯敢怒不敢言，只好气愤地收兵回营。褒姒见状，果然淡然一笑。•但事隔不久，西戎果真来犯，虽然点起了烽火，却无援兵赶到。原来各诸侯以为周幽王又是故伎重演。结果都城被西戎攻下，周幽王也被杀死了，从此西周灭亡了。这个历史故事不仅生动的描绘了当时利用烽火台通信的情况，同时也告戒后人，通信是非常重要的，不论在什么时候也不论是什么人，都不能拿通信当儿戏。古代的抛石车，投石机一类的攻城武器，都是利用了杠杆原理，棘轮机构等；4.物理学在战场上的应用•我国宋代抛石车按组成杠杆的杆数划分轻重级别，几杆就称为几‘梢’。重型的五梢和七梢，需要150到250人拉绳，抛射4、50公斤的石弹，多用于守城。中型抛石车有的装有四轮，可供野战使用。而最轻型的只需2人拉放，石弹仅0.25公斤重，甚至可用泥弹代替，虽然简陋，但击中人也会致残，击中要害也能致命。在我国据记载，金军在灭亡北宋的汴京之战中，一夜之间架设抛石车5000余座，以汴京长达50里的外墙，每里还要分得100座。金军为了搜集足够的石弹，将汴京附近的石制品洗劫一空。攻城时，先将护城河填平，而后万炮齐发，再辅以大量强弩，一举击溃守城部队的部署，进而出动与城墙等高、可容纳80人的巨型攻城车—对楼展开登城战。量变到质变，大量抛石车的运用促发了全新战术的诞生，其流星雨般猛烈的打击令戒备森严的城防完全无法招架。到南宋末年，蒙古攻占襄阳中，就首次使用半自动投射的襄阳炮了。这种抛石车在杠杆后端挂有一块巨大的铁块或石块，平时用铁钩钩住杠杆，放时只要把铁钩扯开，重物下坠，就能抛出石弹。由于人力需求较少，此炮比旧式前辈威力大得多，射程也更远，攻襄阳时，曾抛射近90公斤的石弹，将地面砸出2米多深的弹坑。•欧洲的配重式投石机能将近百公斤重的石块投掷出去，仅就破坏力而言，就连一战时期各国的制式火炮亦难望其项背。罂听罂听是共鸣箱道理！伏罂而听，古代提前发现敌人挖地道攻击的一种办法。伏罂而听，语出《墨子-城守-备穴第六十二》。墨子曰：“穿井城内，五步一井，傅城足，高地一丈五尺，下地、得泉三尺而止。令陶者为罂，容四十斗以上，固幎之以薄革，置井中，使聪耳者伏罂而听之，审知穴之所在，凿穴迎之。”在城边上挖井，五步一眼，高地要挖一丈五，地势低的地方要有三尺深的水。让制陶的人做一个罂（瓮），要能容纳四十斗的水，把薄皮革蒙在瓮口上，放到井里面，让听力好的人把耳朵贴在瓮口上听，辨别出挖穴人的方位，也挖个地道去迎战。•更多的战争传说在历史的迷雾中成为了一个谜，指南车，木牛流马等等都已成为了传说。二、物理学在近现代军事上的运用•随着科学技术的发展，战争的需要，冷兵器逐渐被近现代武器所取代。当人类进入了火器时代之后，工业的力量极大地改变了战争的模式，更多更新的物理学理论被应用到了战争中，随着战场距离和打击范围的加大，光学，弹道学，测量学等大行其道。•物理学的技术成果提升了军事装备的水平，而军事上的实践则为物理学理论的完善提供了最直接的数据支持。1.开创近代战争的始祖——步枪•步枪的发展过程经过火绳枪、燧发枪、前装枪、后装枪、线膛枪等几个阶段，以后又由非自动改进发展成半自动和全自动枪等。步枪之起源，最早的记载是中国南宋时期出现的竹管突火枪，这是世界上最早的管形射击火器。随后，又发明了金属管形射击武器——火铳，到明代又有了更大的发展。（1）非自动步枪•早期手动步枪与单发步枪没有区别，都是一次只能装填一发子弹，射手将使用过的子弹弹壳退出枪机之后才能够装填下一发。随后出现了能够一次装填多发子弹的弹仓，射手只需要连续进行上膛与退膛动作就可以持续射击，直到弹仓内的子弹使用完毕为止，这也是目前手动步枪的主流形态。火绳枪的结构是，枪上有一金属弯钩，弯钩的一端固定在枪上，并可绕轴旋转，另一端夹持一燃烧的火绳，士兵发射时，用手将金属弯钩往火门里推压，使火绳点燃黑火药，进而将枪膛内装的弹丸发射出去。15世纪初，欧洲开始出现最原始的步枪，即火绳枪。(2)半自动步枪19世纪末，步枪自动装填的研究即已开始。第一次世界大战后，先后出现了苏联的西蒙诺夫、法国的1918式、德国的伯格曼等半自动步枪。半自动手枪的射击原理子弹发射时为了获得更大的速度，主要应用了力学中的动量守恒定律。•对于步枪、冲锋枪、狙击枪等构造大不一样，而关于子弹发射爆破相关原理同半自动手枪类似，只是火药含量，弹头形状等有所差异。（3）全自动步枪•至第二次世界大战后期，各国出现的自动装填步枪性能更加优良；而中间型威力枪弹的出现，则导致了射速较高、枪身较短和质量较小的全自动步枪的研制成功，这种步枪亦称为突击步枪，如德国的stg44突击步枪、苏联的AK-47突击步枪等。当弹头出膛后，部分火药燃气通过导气孔进入导气室，推动导气活塞。•卡拉什尼科夫于1946年才研制出样枪。经过多次评审试验，卡氏样枪击败了所有对手而被采纳，并于1947年定型，1949年装备部队。(4)狙击步枪•狙击手使用的装有光学瞄准镜的步枪，用于对最重要的单个目标实施精确射击，狙击步枪的结构与普通步枪基本一致，区别在狙击步枪多装有精确瞄准用的瞄准镜；枪管经过特别加工，精度非常高；射击时多以半自动方式或手动单发射击。瞄准镜•光学瞄准镜的最主要功能是使用光学透镜成像，将目标影像和瞄准线重叠在同一个聚焦平面上，即使眼睛稍有偏移也不会影响瞄准点。通常光学瞄准镜可以放大影像倍数，也有不放大倍数的。沙漠之鹰•以色列军方武器，以美观的外形和大威力著称，曾出现在一些枪战游戏和影视作品里。TheLastActionHero（5）子弹子弹底部的底火内有化学物质，受到撞击后就能迅速燃烧，底火燃烧后点燃弹壳内的发射药，发射药燃烧变成气体体积集聚膨胀，这时弹头和弹壳分离，弹头在高压的火药燃气的作用下在枪管内加速喷射出去，因为子弹出膛时速度很高。这时弹头就具有了巨大的破坏力，甚至能够射穿钢板。子弹的构造上充分运用了空气弹道原理和流体静力学原理来尽可能地减小空气阻力以达到高杀伤力的要求。2.坦克•坦克是一种靠履带移动的的装甲战斗车辆，它集火力、装甲防护力和机动力于一身，在战斗中主要用于突破敌方防线、消灭敌方步兵，歼灭敌坦克和其他装甲战斗车辆。坦克在战场上，尤其是在第二次世界大战中出尽了风头。在二战以后的多次战争中，坦克同样也是陆战的主角，被称为“陆战之王”。1916年生产了“马克”Ⅰ型坦克中国99式主战坦克苏联的T-34坦克坦克的履带原理•坦克重量大,用履带的话可以减小单位面积压力(减小压强),对路面的要求可以小点.•由于履带板上有花纹并能安装履刺，所以在雨、雪、冰或上坡等路面上能牢牢地抓住地面，不会滑转。(增大摩擦力)•从技术的角度来看，履带的作用是借助与其啮合的主动轮传递驱动力矩或制动力矩，依靠与地面的相互作用产生牵引力或制动力。坦克的行驶原理•坦克无论是直线行驶还是在转弯时，都涉及到力学、运动学和动力学方面知识.现代坦克•20世纪70年代以来，现代光学、电子计算机、自动控制、新材料、新工艺等方面的技术成就，日益广泛地应用于坦克的设计和制造，使坦克的总体性能有了显著