空氣阻力依據通常的模型計算,和速度的平方成正比。
由于初仰角只有10度,因此可以對問題進行簡化。在飛行的前半段重力有微小的減速作用,而在后半段有微小的加速作用,從分析射程的角度,兩者作用都很小,大小相近,方向相反,相互抵消,因此可以忽略。這樣,問題就大大簡化了。
總行程呢?初仰角10度,射程520米,那么,總行程必定略小于520s10°528米。我們就保守一點,讓箭飛行528米。
箭的飛行可以理解成有空氣阻力的仰角為10度的直線運動和自由落體運動的組合。自由落體的行程為520tan10°914米。保守地考慮,則飛行過程需要在432秒內完成,否則沒達到520米的射程箭就掉到地上了(實際時間可以稍微長一點,因為這里箭的落體過程中沒有考慮空氣阻力,也沒有考慮水平尾羽的滑翔作用,雖然這些作用都很微弱)。
剩下的計算就很容易了,通過一個最簡單的微分方程,就可以得到需要的結果,下表是一個例子。,初速度150s,阻力系數 150e5,則速度和時間的關系為
時間 0 1 2 3 4 432
速度 150 135 122 112 103 101
432秒后的行程5281米。阻力系數要通過二分法一類的方法,反復試算得到,幾次就可以了。
假定弩箭頭部冠的尺寸和箭桿直徑的比例與普通箭相同,根據阻力系數,可以知道箭的直徑大約49,木制的尾部至少應有5長,則箭長大約18或略多一點。
因為箭比較細,我個人傾向于簇尖沒有這樣的冠,而是類似于卷筆刀削過的鉛筆。這樣,箭桿比上面的結果還要粗一點。
末速度1009s!,有這樣的速度,末動能與前面提到的長弓相比,大了近一倍,‘入榆木半笴’當然沒有問題,穿甲能力強多了!
再看一個例子,初速度145s,阻力系數 139e5,則速度和時間的關系為
時間 0 1 2 3 4 432
速度 145 133 123 114 106 104
432秒后的行程5278米。箭的直徑47,箭的總長約20。
例子3,初速度140s,阻力系數 121e5,則結果為
時間 0 1 2 3 4 432
速度 140 131 123 116 109 107
432秒后的行程5279米。箭的直徑44,箭的總長約24。
因此,箭輕一點,細一點,20~24n,直徑44~47(頭部無冠的話,還要粗一些,大約5吧),就可以達到520米的射程。這樣的比例正常嗎?我們把長度放大兩倍,54~72,直徑也相應放大,則為147~132,是很粗壯的。這么細的箭,有殺傷力嗎?根據其動能,300步洞重札沒有問題,而且,為了追求使用效率,神臂弓的實際使用距離不超過200米,末速度很快,命中目標就是洞穿,鎧甲根本沒用,殺傷力還是很大。由于計算有些保守,做功距離又考慮40,如果是45,則初速度更高一點,考慮這些因素,箭的直徑還可以略微大一點。
如果射程是240步,那么,要達到300步,22g的箭,仰角要15度,根本沒法瞄準,而且末速度不過66s,這樣的動能,不能“洞重札”。即使考慮望山高度只支持95度的最大初仰角,射程240步,那么,達到300步,仰角也需要144度,末速度小于70s,動能仍然不夠。前面提到,沈括管理過武器的生產,他親眼見證過早期的神臂弓,他的描述當然分量極重。因此我相