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日志

[TA说科学]为啥安倍只挨了两发土枪就嗝屁(krepieren)了?

已有 566 次阅读2022-10-5 07:49

安倍晋三遇刺是今年的大新闻,很多人看此新闻的时候可能有个疑问:日本的的医疗水平这么高,安倍又贵为前首相,为啥挨了两枪就挂了?有人甚至脑补了阴谋论:有神秘人指示医生别给安倍好好治疗,用安倍的死达到某种政治目的。其实从科学的角度分析,安倍必死无疑。

第一个问题,多少能量的弹头能对人体产生致命伤害?略懂轻武器的人都知道,普通手枪子弹的能量有几百焦耳,普通步枪子弹的能量有几千焦耳,而各种神剧/游戏的主角总能在被几发甚至十几发子弹击中后,还能再喊上几句口号甚至再反杀几个敌人才死,于是很多人觉得:挨上一两发子弹没啥大问题,只要没有直接击中脑袋即可。其实,人体的脆弱远超你的想象。根据《终点效应学》(隋树元&王树山,2000)和《Ballistic Science for the Law Enforcement Officer》(Charles Grady Wilber,1977)这两本书里的数据,如果人体任意部位被能量密度至少为120~160焦耳/平方厘米的弹头击中,即可失去作战能力甚至失去意识。换句话说,只要直径几毫米的弹头的能量达到80~100焦耳以上,即可对人体造成巨大伤害。手枪/步枪的子弹的初始动能之所以要远超这个值,一是因为存在空气阻力(弹头出膛100米后,动能不足刚出膛时的70%);二是因为敌人可能穿了防弹衣和头盔。

第二个问题,要使弹头具有足以杀人的能量,需要多少火药?从安倍遇刺现场的视频来看,刺客的土枪在击发时产生了大量白烟,因此可以推断出刺客使用了黑火药作为推进剂。.45 Colt和.303 British是两种使用黑火药作为推进剂的知名子弹,根据资料显示,.45 Colt装黑火药约2克,弹头的初始动能约为700焦耳;.303 British装黑火药约4.5克,弹头的初始动能约为3200焦耳。因此得出结论,即使1克黑火药,也可以使弹头具有足以杀人的能量。黑火药作为最容易弄到的火药,刺客不可能只准备了1克(随便拆一个烟花,都能弄到十几克,更别提自己配了)。

第三个问题,为什么即使1克的黑火药也能给予弹丸巨大的推力?学过初中化学的人都知道,黑火药的化学反应方程式是2KNO3+S+3C = K2S+N2↑+2CO2↑。这表示,2摩尔硝酸钾、1摩尔硫磺和3摩尔碳完全反应,可以产生1摩尔硫化钾、1摩尔氮气和2摩尔二氧化碳。如果用质量表示,则是202克硝酸钾、32克硫磺和36克炭(三者混在一起就是270克黑火药)完全反应,可以产生110克硫化钾、28克氮气和88克二氧化碳。由于硫化钾是固体,因此合计产生了3摩尔气体。黑火药反应后温度极高,但在网上找不到具体数值。有些资料说可以达到1000摄氏度,我认为这个数据太夸张了,但300摄氏度是肯定有的。3摩尔气体的体积可以根据“理想气体公式”(V=n×R×T÷P)算出。由于n=3(摩尔),R=8.314(摩尔气体常数),T=300+273=573(开尔文),P=101325(帕斯卡),因此体积V=3×8.314×573÷101325=0.141立方米=141升。根据这个数据,进而算出1克黑火药产生141÷270=0.522升气体。普通(未压缩的)黑火药的密度约为2克/立方厘米,也就是说1克黑火药的体积为0.0005升。在0.0005升的体积内产生了0.522升气体,可算出压强为1044个大气压。由于这些气体是瞬间产生的,而不是像烧木炭一样缓慢产生,因此对弹丸产生的推力十分可观。

第四个问题,用1000个大气压推动一个6毫米的钢珠走过10厘米长的圆柱形钢管,能赋予钢珠多大的能量?这个问题其实就是对高中物理知识的综合运用。1000个大气压约等于100兆帕(实际上是101.325兆帕,简化为100兆帕是为了方便计算),6毫米钢珠的横截面积约等于28.26平方毫米,根据压强公式F=P×S可以算出,压力(推力)F为2826牛顿。6毫米的钢珠约重0.88克,根据牛顿第二定律F=m×a算出加速度a约为3211363.6米/秒²。圆柱形钢管长10厘米也就是运动路程L为0.1米,又已知道初速度(为0米/秒)和加速度,可以算出钢珠在钢管里的运动时间约为0.00025秒(L=0.5×a×t²,解出t)。算出钢珠在钢管里的运动时间后,就可以算出钢珠离开钢管时的初速度约为802.84米/秒(v=a×t)。最后根据动能公式E=0.5×m×v²,可以算出钢珠的初始动能约为283.6焦耳。由于没有考虑空气阻力、钢珠与钢管之间的摩擦力、以及钢珠在运动过程中受到的推力会减小(随着钢珠在向前运动,钢珠后面就有了更多空间来容纳火药产生的气体,因此气体压力就减小了,推力自然也就减小了),因此实际上的初始动能肯定达不到这个数值。不过即使把理论数值打五折(141.8焦耳),对人类也是致命的。以上内容纯属粗略的推算,误差可能会很大。网上有篇知名的文章叫做《Internal Ballistics of Muzzle Loaders》,精确讲述了“黑火药的种类和体积、弹丸的形态和质量、枪管长度”这三个因素对初始动能的影响,感兴趣的人可以搜索看看。

第五个问题,自制武器的枪管要满足什么条件?上文提到,黑火药反应产生的气体可以最多给容器内壁施加将近1100个大气压的压强,因此要想枪管内壁承受如此巨大的压强而不爆裂,那就必须寻找合适的材料来制作枪管。说到这里,就不得不提著名的巴洛公式:P=2×S×T÷D。其中,P为容器最大可承受的压强(磅/平方英寸);S为材料强度(磅/平方英寸);T为管道壁厚(英寸);D为管道外径(英寸)。在这四个参数里,大多数人不了解什么是材料强度。众所周知,如果给任何材料施加拉力或压力,会导致它们变形。导致材料开始变形的压强,称之为材料的“屈服强度”,而导致材料变形后无法恢复(损毁)的压强,称之为材料的“抗拉强度”(材料在单位面积上受到的压力叫做“压强”,材料所能承受的最大压强叫做“强度”,两者是一回事,不要纠结字眼)。由于任何材料的屈服强度肯定小于抗拉强度,因此把屈服强度应用到公式里。在市面上能随意买到且屈服强度最低的钢材是“Q195钢”(换句话说,没有性能比“Q195钢”更差的钢材了),它的屈服强度大约是200兆帕(约29000磅/平方英寸)。带入公式可以得知,如果使用6毫米的钢珠作为弹丸,内壁最大承受1100个大气压的压强,则至少需要用壁厚4毫米的“Q195钢管”。显然,钢材的屈服强度越大,钢管所需的壁厚就越薄。顺带说一句,制作制式轻武器的钢材的屈服强度至少要500兆帕(比如“42CrMo钢”),制作坦克炮的钢材的屈服强度至少要1500兆帕。

第六个问题,如何在瞬间引燃黑火药?办法很简单,就是给细铁丝通电。根据“电阻定律”我们得知:导体的电阻R跟它的长度L、电阻率ρ成正比,跟它的横截面积S成反比。根据“焦耳定律”我们得知:载流导体中产生的热量Q与电流I的平方、导体的电阻R和通电时间t成比例。网上数据显示,4节9V电池串联,可以在0.5秒内把直径0.4mm的细铁丝加热到通红。铁丝发红的温度起码有800摄氏度,这绝对可以瞬间点燃黑火药了。这意味着,即使刺客在安倍面前开枪,安倍也在劫难逃,因为人的反应时间至少为0.2秒,即使是特种兵也难以在0.5秒内完成“思考+躲避”这两个动作(实际上,刺客是在安倍身后开的枪,也许是不想给安倍留一丁点躲闪的可能性)。

综上所述,土枪的原理非常简单,各种制作材料也不难买到,而且威力并不远逊于制式武器。所以当刺客成功走到安倍身后几米距离的地方时,安倍的命运已经注定了。最后不得不提醒一句:可能某些网友看了这篇文章后,自己也想造一把“名铳·安倍切”来玩玩。但如果你身处中国,还是拉倒吧,因为这是犯法的。如果实在想玩,要么等下辈子,要么这辈子移民到欧洲大陆国家。因为在即使在《武器法》最严格的德国,前膛枪也是无需许可证只要年满18即可合法持有的。很多德国人懒得去获取“武器持有卡”(因为要考试,还要每年给射击俱乐部交钱),于是就花上一千多欧元去买一把双管前膛枪玩(在gogun.de之类的网站上或Frankonia之类的商店里都可以合法购买)。

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