空气阻力依据通常的模型计算,和速度的平方成正比。
由于初仰角只有10度,因此可以对问题进行简化。在飞行的前半段重力有微小的减速作用,而在后半段有微小的加速作用,从分析射程的角度,两者作用都很小,大小相近,方向相反,相互抵消,因此可以忽略。这样,问题就大大简化了。
总行程呢?初仰角10度,射程520米,那么,总行程必定略小于520s10°528米。我们就保守一点,让箭飞行528米。
箭的飞行可以理解成有空气阻力的仰角为10度的直线运动和自由落体运动的组合。自由落体的行程为520tan10°914米。保守地考虑,则飞行过程需要在432秒内完成,否则没达到520米的射程箭就掉到地上了(实际时间可以稍微长一点,因为这里箭的落体过程中没有考虑空气阻力,也没有考虑水平尾羽的滑翔作用,虽然这些作用都很微弱)。
剩下的计算就很容易了,通过一个最简单的微分方程,就可以得到需要的结果,下表是一个例子。,初速度150s,阻力系数 150e5,则速度和时间的关系为
时间 0 1 2 3 4 432
速度 150 135 122 112 103 101
432秒后的行程5281米。阻力系数要通过二分法一类的方法,反复试算得到,几次就可以了。
假定弩箭头部冠的尺寸和箭杆直径的比例与普通箭相同,根据阻力系数,可以知道箭的直径大约49,木制的尾部至少应有5长,则箭长大约18或略多一点。
因为箭比较细,我个人倾向于簇尖没有这样的冠,而是类似于卷笔刀削过的铅笔。这样,箭杆比上面的结果还要粗一点。
末速度1009s!,有这样的速度,末动能与前面提到的长弓相比,大了近一倍,‘入榆木半笴’当然没有问题,穿甲能力强多了!
再看一个例子,初速度145s,阻力系数 139e5,则速度和时间的关系为
时间 0 1 2 3 4 432
速度 145 133 123 114 106 104
432秒后的行程5278米。箭的直径47,箭的总长约20。
例子3,初速度140s,阻力系数 121e5,则结果为
时间 0 1 2 3 4 432
速度 140 131 123 116 109 107
432秒后的行程5279米。箭的直径44,箭的总长约24。
因此,箭轻一点,细一点,20~24n,直径44~47(头部无冠的话,还要粗一些,大约5吧),就可以达到520米的射程。这样的比例正常吗?我们把长度放大两倍,54~72,直径也相应放大,则为147~132,是很粗壮的。这么细的箭,有杀伤力吗?根据其动能,300步洞重札没有问题,而且,为了追求使用效率,神臂弓的实际使用距离不超过200米,末速度很快,命中目标就是洞穿,铠甲根本没用,杀伤力还是很大。由于计算有些保守,做功距离又考虑40,如果是45,则初速度更高一点,考虑这些因素,箭的直径还可以略微大一点。
如果射程是240步,那么,要达到300步,22g的箭,仰角要15度,根本没法瞄准,而且末速度不过66s,这样的动能,不能“洞重札”。即使考虑望山高度只支持95度的最大初仰角,射程240步,那么,达到300步,仰角也需要144度,末速度小于70s,动能仍然不够。前面提到,沈括管理过武器的生产,他亲眼见证过早期的神臂弓,他的描述当然分量极重。因此我相