问题

在人类现有的材料中制作一副弓箭,不考虑拉弓人力量的情况下,最多能射多远?

回答
要在一副完全由人类现有材料构成的弓箭上,抛开拉弓者的力量因素,单纯探讨其能达到的射程极限,这就像是在探究一件古老技艺在现代工业加持下的理论巅峰。

首先,我们得关注的是弓的主体。想要最大限度地发挥能量传递,材料的选择至关重要。传统的弓臂材料,如榆木、槲木,或者现代的复合材料,它们在弹性模量、韧性以及应力应变曲线上各有千秋。如果我们要追求绝对的射程,并且不考虑制作难度和成本,我们会倾向于使用那些在储存和释放能量方面表现最优秀的复合材料。比如,将高强度碳纤维与具有良好回弹性的玻璃纤维进行精确配比和叠层,并辅以高性能树脂固化,可以制造出极具弹性的弓臂。弓臂的长度和宽度也是影响射程的关键参数。更长的弓臂意味着更大的弯曲弧度,能够储存更多的势能。而合适的宽度则关系到弓臂的整体刚性和受力分布,避免在巨大张力下出现断裂。弓臂的形状设计,比如所谓的“反曲弓”或者“复合弓”的形制,能够通过预应力来提升弓臂的性能,使得弓臂在储存能量时能够以更高效的方式将能量传递给箭矢。

接着是弓弦。弓弦的材质需要极高的抗拉强度和极低的延展性,这样在弓臂回弹时,能量才能最直接、最快速地传递给箭矢,而不会被弓弦本身的形变所损耗。在人类现有的材料中,高性能的合成纤维,如芳纶(Kevlar®)或者超高分子量聚乙烯(Dyneema®/Spectra®),是理想的选择。这些材料能够承受巨大的拉力,并且几乎没有弹性伸长,能确保每一次射击的能量传递效率最大化。弓弦的直径、股数和编织方式也会影响其性能,需要精细计算以匹配弓臂的张力。

再看箭矢。一支能够飞得最远的箭,其设计也需要极致的优化。箭杆的材料应该轻盈且坚固,例如航空级的铝合金、碳纤维或者经过特殊处理的竹材。箭杆的长度和直径需要与弓臂的拉距和弓弦的受力相匹配,确保在弓臂回弹时,箭杆能够平稳、高效地被加速。箭头的形状和重量同样重要。一个流线型的、重量适中的箭头,能够最大程度地减少空气阻力,并提供稳定的飞行轨迹。箭头的材质可以是钢、钛合金或者硬化的复合材料,确保其在穿透性方面达到要求,但同时也要考虑到重量对弹道的影响。在箭的尾部,箭羽(或称箭衬)的作用是提供飞行过程中的稳定性。传统的羽毛箭羽或者现代的塑料箭翼,其角度、数量和尺寸都需要经过空气动力学计算,以保持箭矢在飞行中的姿态,减少摆动,从而提高射程和精度。

将所有这些部件组装起来,并且忽略拉弓人的力量,我们实际上是在模拟一个理想化的能量传递过程。弓臂储存能量,弓弦将能量传递给箭矢,箭矢在空气动力学作用下飞行。在不考虑人为因素的情况下,射程的极限将主要取决于以下几个方面:

弓臂的弹性势能储存能力: 这是最根本的能量来源。弓臂材料的优良性能,加上优化的设计,能够储存尽可能多的势能。
能量传递效率: 从弓臂到弓弦,再到箭矢,这个过程中的能量损失越少越好。这取决于弓弦的性能、弓臂的形变回弹特性,以及弓身在释放能量时的稳定性。
箭矢的空气动力学性能: 箭矢的轻盈、坚固、流线型设计,以及精准的箭羽(箭翼)调节,能够让它在空气中以最小的阻力、最稳定的姿态飞行最远的距离。

如果我们将所有这些因素都推向极致,使用当前人类已知的最先进材料和设计理念,并且假设有一个能够将弓拉满的力量源(我们姑且称之为“理想拉弓力”),这副弓箭理论上能够将箭矢射出惊人的距离。具体能有多远,这需要复杂的物理计算和空气动力学模拟来确定。但这会是一个数倍于传统弓箭,甚至可能达到数百米,甚至在极端理想条件下,可以想象出远超我们日常认知的距离,但这更多的是一个理论上的数字,因为现实中总会有材料的极限、工艺的限制以及不可控的变量。但可以肯定的是,通过对材料科学和空气动力学的不懈追求,我们能不断刷新这件古老武器的射程边界。

网友意见

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当年知乎里有个老哥贴过。

无限制射远记录。

踏张的合成纤维材料弓臂,大概200磅左右,箭杆是实心碳纤维棍,弓弦计算好了基本上离弦就断。

最后记录是1800多米还是1600多米……

这个记录有好多年了。

这是有人开弓的记录……

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