只要速度夠快,竹筷子也能射穿坦克鋼板?


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只要速度夠快,竹筷子也能射穿坦克鋼板?

  • 天下武功,唯快不破?

我們經常見到有這樣的說法:假如一根以光速飛行的鋼針擊中地球,會造成如何如何的災難。

鋼針毀滅地球只是想像

熱愛科學的你知道鋼針沒辦法達到光速,因為按照愛因斯坦的質能方程,任何有質量的物體要想達到光速,它所需要的能量將是無窮大,那將消耗整個宇宙的能量,所以這個假設的前提條件不成立。

昨天又有朋友向我提出了另一個類似的問題:如果速度足夠快,我們能不能用一根竹筷子戳穿坦克的裝甲鋼板?

竹筷子插鋼板,有速度就行?

這是個很有意思的假設,因為它涉及物理學,所以今天我們就來聊聊,射穿鋼板,速度夠了就可以嗎?

  • “植物鋼”

在南美洲,竹子這種草本植物有”植物鋼”的美稱。古代的中國,以竹絲為纜索的懸索橋早在1000多年前就架設在了閩江之上,它長260米,寬2.7米,堪稱古代建築的奇蹟。即便在近代,竹子也以其優越的結構強度、輕巧的重量和便宜的價格成為建築腳手架甚至建築材料的首選。

由於竹子有比鋼更良好的撓度,在施加拉伸載荷時,它的剛度與拉伸強度之比也比某些標號的鋼筋還強。在一些低層建築中,經過特殊處理的竹子作為一種“有機”和環保的建築材料取代了混凝土裡的鋼筋。

國內外都有試驗竹筋混凝土

  • 竹子比鋼強?這顯然是一種誤會。

我們中國人喜歡用竹筷子,因為它輕便、結實並且好用。但若將它與裝甲鋼來比高低,就跟汽車與飛機比快慢一樣可笑了。

從我能搜索到的資料看,竹纖維的強度大約在350MPa~800MPa左右的範圍,而用於製造坦克的裝甲鋼其楊氏模量高達220GPa、屈服強度大於1300MPa、抗拉強度則大於1700MPa,二者硬度差距極為懸殊。

竹子在許多方面比鋼差太遠

  • 如何把坦克捅個窟窿?

以前可以用砲,現在裝甲越來越厚,打坦克可是越來越難了,你得用導彈。但兩輛坦克對射時,用的基本還是動能穿甲彈。

坦克前裝甲

9毫米手槍子彈可以在15米距離內擊穿3毫米厚的馬氏體鋼板;普通鋼板防彈能力比較差,AK47步槍可以在100米距離內射穿10毫米厚鋼板;但要換成均質裝甲鋼板,標準的步槍子彈就無能為力了,同樣的步槍,你需要換成穿甲彈。

裝甲鋼的性能優異

子彈打擊目標是完全非彈性碰撞的過程,在這個過程中動能並不守恆,但總的能量卻是守恆的。這時,子彈飛行的動能全部轉化為熱能,熱能使子彈和鋼板同時發生變形。穿甲彈的原理就是利用其動能(質量與速度的函數)穿過裝甲,為此它還需要將動能施加在最小面積上以產生最大壓力。因此穿甲彈需要做得盡量重(增加動能),並且盡量細和尖(增加壓力)。

脫殼尾翼穿甲彈

脫殼尾翼穿甲彈就是以此目標設計的,它被做成細長的飛鏢形狀,這樣既可以保持動能最大化,又可以保證飛行和擊中裝甲的過程中橫截面積始終最小。

穿甲彈造成深孔

  • 硬度是關鍵因素

要想擊穿鋼板,你還需要比鋼板更硬。當一顆柔軟的鉛彈擊中鋼板時,撞擊動能所產生的熱能迅速在撞擊點向前後兩個方向擴散開來,柔軟的鉛彈更加容易發生變形從而吸收更多的熱能,而堅硬的鋼板幾乎沒有什麼變化。

子彈擊中鋼板的模擬

反器材步槍射出的穿甲彈儘管表面上看起來與普通子彈形狀無異,實際上它彈頭內部包裹著的是一枚堅硬的鎢鋼彈芯,鎢更堅硬並且熔點更高,因此也更容易擊穿裝甲。

鎢鋼彈芯的穿甲彈

相比之下,竹筷子就要脆弱許多,我們也許可以通過增加速度提高其動能,但沒辦法讓竹子變得比裝甲鋼更硬。當撞擊發生時,竹筷子會首先碎裂並化作齏粉,而鋼板上頂多只會留下一個淺淺的凹坑。

這個問題反過來思考就更容易明白:如果你用一根堅硬的鋼條以同樣動能射擊一塊25厘米(筷子長度)厚的竹板,會發生什麼結果?自然是竹板被擊穿一個窟窿,而鋼條安然無恙。

竹筷太脆弱,單憑快是沒有用的