力学赏析——冷兵器时代的热战争

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引子：至正二十三年 (1363) 陈友谅攻打朱元璋的领地洪都（今江西南昌），士兵仅用手中的竹盾、大刀竟在城墙上打开一个十余丈的口子，守将邓愈借助火铳打退敌人的猛烈攻击；至正二十六年 (1366) 朱元璋攻击张士诚的领地平江（今江苏苏州），在城外搭建高台，使用了火铳和襄阳炮攻城；建文二年 (1400) 武定侯郭英在白沟河战役中使用地雷大破朱棣军；济南保卫战中，朱棣攻城三月毫无进展，摆出炮阵准备攻城，守将铁铉四周悬挂朱元璋的牌位，朱棣撤军。在《明朝那些事》中所涉及的战役中，总有热兵器的参与，实际上，在冷兵器时代有一段很长时间是与热兵器（火器）相伴的共存时期，而且在这段时间内中国的火器装备还是世界一流的。

可能大多数人会认为火药虽然是中国古代炼丹家在炼丹过程中合成的，而枪炮却是西方人发明的。因此也有人说中国发明了火药只会做鞭炮，而西方却用来制造枪炮。而实际上并非如此，世界上无论是第一声枪声、还是第一声炮声都发生在中华大地上。

最早记录火药爆炸现象的是唐末郑思远的《真元妙道要略》（约9~10世纪）：“有以硫磺、雄黄合硝石并蜜烧之，焰起烧手面及烬屋舍者。”，并警告曰：“硝石不可合三黄（硫磺、雄黄和雌黄）等烧，（否则）立见祸事。”在不断总结硝石和硫磺的性质后，炼丹家提出了伏硫磺法、伏硝石法等炼丹法，“伏”即有降伏、制伏之意，使其转变为别的化学成分，从而避免祸事。

最早记录将火药用于战争的是北宋路振撰写的《九国志》中有关唐朝末年的一场战争：唐昭宗天佑元年（公元904年），杨行密围攻豫章（今江西南昌），“璠以所部发机飞火，烧龙沙门，率壮士突火先登入城，焦灼被体。”“发机飞火”有人猜测是一种借助于火药可以将燃烧的枪或其它物体抛射的更远的火器，也有人猜测是装在长枪上长筒用以发射火焰伤敌。唐代火器还比较模糊，不过自宋以后，就相对明晰了很多。

大体上说，古代战场上的火器主要有三类：其一为燃烧性火器，喷射火焰以火伤敌。其二为爆炸性火器，靠火药爆炸产生的碎片伤敌；其三为远射性火器，即枪和炮。从本质上来说，燃烧和爆炸都是能量的释放方式，爆炸也可以看作是一种极其剧烈的燃烧。它们的区别在于，燃烧通常是以扩散或者对流的方式以亚音速扩散能量，而爆炸则激烈的多，通常是在较短时间和较小的空间内，实现能量转化并伴随产生高压、高温以及冲击波等形式，以超音速扩散能量的过程。由此可见，后两种火器在战场上有较强的杀伤力，特别是枪和炮的发明，对改变战争的格局起着决定性作用（武器先进就是战场上最大的不对称），它们都被称为管形火器。

最早的管形火器（火枪）由南宋时期湖北安陆县令陈规发明制造，时金兵入侵中原，德安府知府弃城逃跑，陈规代为防守。南宋绍兴二年 (1132)，陈规将火药装入竹筒造出竹火枪，操作时一般3人一组，一人执枪，一人点火，一人装药。不过陈规的竹火枪还不能算是枪，真正意义上的枪出现在1259年，据《宋史·兵志》载：开庆元年 (1259)，寿春府（今安徽寿县）“又造突火枪，以巨竹为筒，内安子窠，如烧放焰绝，然后子窠发出如炮声，远闻百五十余步。”突火枪就具备了近代步枪的雏形，巨竹为筒就是枪管，内安子窠（ke，一声）就是子弹，通常是瓷片、碎铁、石子之类的东西。值得注意的是，由突火枪出发，就很容易出现步枪和火炮。

火铳，图片来源于网络

元朝建立后，以金、宋技术为基础，制成了把火药和弹丸装在金属管内发射的火铳和火炮，在元末的农民起义中，已经有了相当数量的火铳和火炮用于战场上。所以《明朝那些事》中描写的热兵器战争，也不足为奇。只是如陈友谅、张士诚等嫌火器使用麻烦，而不愿意大批的装备，只有朱元璋看到火器的价值，一边组织人研制新型火器，一边研究火器战法，朱元璋也是第一个将火器作为独立兵种使用的统帅，这使得朱元璋在元末的起义军中傲视群雄。

其中，最令人称道的是沐英（八岁时朱元璋收为养子）在云南首创的三行火铳战法。洪武十四年 (1381)，朱元璋派遣沐英随同傅友德、蓝玉远征云南，一年后云南平定，朱元璋下令沐英镇守云南。为了对付当地人的象兵（大象军队），沐英以火铳和火炮应对，然而每次发射后都需要时间换火药和子弹，不能形成持续的杀伤力。在这种情况下，沐英将火铳并分为三行，发现象兵后第一行发射，然后第二行、第三行轮流发射，轮流装弹。是不是感觉很熟悉？在沐英发明三行火铳战法的近四百年后，普鲁士国王腓特烈二世 (1712-1786) 经过长期钻研，发明了类似的三线战法，并以此称霸欧洲。

三线战法 图片来源于网络

靖难之役中，朱棣大受郭英之地雷、盛庸之火铳兵之害，夺取政权后，更加重视火器发展，永乐年前期（永乐元年是1403年）建立了成建制的神机营，这是全世界第一支成建制的枪炮部队，而欧洲第一支成建制的西班牙火枪队直到1510年才成立。由于枪炮装填弹药的局限，朱棣还配合组建了三千营——骑兵军团，以及有骑兵和步兵混合的五军营，作战时神机铳居前，马队居后，步卒次之，即神机营先用枪炮一阵猛轰，紧接着骑兵迅速冲锋砍杀，最后步兵巩固战场。三营根据战场条件相互配合，协同作战达到歼灭敌人的目的。这在应对北方蒙古骑兵冲击时，起到了关键的决定性作用。

永乐十九年 (1411) 三月，朱棣在北京北的怀来举行了世界闻名的盛大阅兵（古称狩猎）。在朱元璋推翻元朝时，大家可曾想过成吉思汗建立的“四大汗国”中的三个仍然健在，元朝灭亡后大量的元朝官员流亡到中亚、西亚的另外三个汗国，并拼命地鼓动所在国君主对明朝采取敌视态度。其中西察合台汗国权臣帖木儿发动政变，建立帖木儿帝国，并于永乐四年东征中国，但因病逝于途中而不了了之。

在这一背景下，朱棣一方面派遣陈诚出使西域，另一方面派遣郑和下西洋，陆海两路宣示大明实力，并恢复和巩固大明与中亚、西亚各国的“朝贡关系”。随后，各国派遣使团（有的是皇帝带队）回访中国。永乐十八年，在中国的外国使团有20多个国家，600多人，朱棣派遣精锐骑兵护送，沿嘉峪关经明朝九边军镇（九大军区）参观，展示实力，同时特地安派蒙古、回族官员接待，介绍明朝民族政策，恩威并施，成功树立了大明帝国的对外形象。

永乐十九年三月，使团回到北京观礼大阅兵，此时已聚集了27国使团。这次阅兵，朱棣共调军队10万人，五军营、三千营、神机营相继亮相，表演骑兵包抄、步兵突击、步骑合击等项目，并从广西、云南、四川调来“土狼兵”、白杆兵演练了步兵劲弩齐射、长枪步兵刺杀等军事科目。尤其是明朝“神机营”的火器操练，展示了“虎威炮”、“火龙枪”（骑兵专用火枪）、安南铳（抬枪）、“一窝蜂”（火箭炮）、“火龙车”（火焰喷射器）等诸多“高科技”武器，令各国使节大开眼界。本次“狩猎”持续了整整一个月，令“列国使节俱惊”。

上世纪90年代，日本作家筱田耕一所著《中国古兵器大全》（确实挺全，连封神演义中神仙的法器也收录在内）中第六章专门讲解火器。关于明代大炮，提到有固定炮和炮车两种，弹丸也有实心弹和空心弹两类，实心弹可同时射出最多五百颗小弹丸，称为百子连珠炮，实心弹射程也很远。空心炮是一种命中目标后能发生爆炸的炮弹，有时还内藏毒气，如飞云霹雳炮，毒雾神烟炮都是毒气弹。

火龙枪也称梨花枪，用一个或两个竹筒装上火药，绑缚在长枪枪头下面，交战时先发射火焰烧灼敌兵，再用枪头刺杀。内含柳炭、铁滓、磁末、硫磺、砒霜等混合药剂，具有燃烧、毒烟、喷射等作用。明代梨花枪，只有一个铁筒，状如尖笋，可安引信，大头口径，内装毒药，用泥封口。兵士们可随身携带数个药筒，以备更换发射，喷射出的毒焰可达几丈远。

火龙枪  来源：网络搜索

安南铳又称抬枪，是一种大型化了的铳，需要两人或几人操作（一般三人分管点火、瞄准、换药），射击时可以是放在三角木制机架上，或着是放在士兵肩上。和火铳相比，枪身长，火药装的也多，威力大。

抬枪 来源：中国古兵器大全

一窝蜂是一种多发火箭，这里火箭是指依靠火药燃烧时产生的气体喷射力飞向目标的火箭，而不用弓弩发射的飞箭。操作时通过皮带将其挂在肩上，用手抱着发射筒进行发射。再大型的一窝蜂由于太重，就将其固定在地面上发射，或者装在车上，称为架火战车。一窝蜂可以有效弥补单发火箭命中率低的缺点。

一窝蜂  来源：中国古兵器大全

明朝最著名的火焰喷射器恐怕要数神火飞鸭，其外形是一只飞鸟（麻痹敌人），飞鸟羽毛上装有4枚装有火药推进的火箭，命中目标后开始燃烧，被现代专家成为“带单头的火箭或多级火箭”，常用于攻城战中。同样的火器，做成龙形用于水站被称为出水火龙。

神火飞鸭，出水火龙：来源中国古兵器大全

明朝火器在军队中的比例也相当可观。《明会典》记载，明朝在开国后的137年内，每三年造大炮3千门、火枪3千枝。洪武十三年 (1380)，明太祖下令规定：“凡军一百户，铳十，刀牌二十，弓箭三十，枪四十”。大概推测，洪武时期明军火器装备率为10%。成化二年 (1466)，明将郭登向朝廷建议，步兵“用神铳手十，弓箭手十，刀牌手各五，药箭强弩手十，司神炮及火药者八，杂用者七”。按照这一规定，步兵中使用火器的士兵，火器装备率为30%左右。在有些战斗中（如戚继光对抗倭寇的战争），明军中使用火器的战斗人员可达到50%。在这一时期，明朝军队的火器装备远远超过了同时代的其他国家。

应该说，后来的清军的火器装备比明朝略有进步，除了少数省份的军队，一般都是一百个士兵配五十把枪，火器装备率为50%；广东士兵的配枪率更高，一百个人六十把枪，达到了60%。按《皇朝兵志考略》记载，全国共有：火炮十一万四千零九十一门，火绳枪二十六万两千三百六十五支。我们会发现，清朝的火器装备较明朝有较大的进步，毕竟历史在进步。

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“学如逆水行舟，不进则退。”实际上，在各种竞争中，进步的慢就是一种“退”。14世纪，火药经阿拉伯人传到欧洲后，很可能是通过战争的方式连带枪炮一起传去的，欧洲人迅速对枪炮、火药产生了很浓厚的兴趣。1346年，英法双方在克莱西的会战中，英国人使用了三门火炮（威力有限）。但到1388年，英国乌里治兵工厂制造出一门可以将1555米外6英寸厚的墙壁打穿的重型炮。

请大家注意这个描述：可以将1555米外6英寸厚的墙壁打穿。从这个描述似乎可以感到，这是经过精确测量的。再结合我们之前讲到中国火炮时几乎很少见到这样的定量描述，而更多的侧重于气氛渲染，如将军炮、虎蹲炮、旋风炮、威远炮，还有名字再长一点的，如飞云霹雳炮、毒雾神烟炮、轰天霹雳雷火炮，还有九矢钻心神毒火雷炮、八面旋风吐雾轰雷炮，名字叫的震天响，却很少有具体的破坏力参数描写。在欧洲，定量分析成就了近代科学体系，科学体系又促进了技术实践，这种的研究特点就促成了火药和枪炮技术在欧洲的大飞跃。

如火药配比，在我国用于制作火药的硝石、硫磺、木炭配比基本是60% : 20% : 20%，这个比例一直以来都变化不大；而英国人首先研究了火药的最佳比例大约为74.64%：11.85%：13.51%（也有其它资料略有不同），这就给火药制造提供了精确的理论指导。另外，我国从唐末到清朝早期，火药一直是以粉末状使用，这在保存和使用中有很多不利因素，欧洲人则把火药调成颗粒状（颗粒火药），不仅易于保存，还进一步提高爆炸威力。

在造炮的工艺上，设计出可调整射击方向炮耳，同时缩小火门，使药室空间密闭程度增加，提高爆炸威力；在材料使用上，发现铁的耐磨损性不如铜，将制作炮管的铸铁换成铜；在弹药上，发现同样质量的铁要比石头体积小，用铁做炮弹不仅可以打的远还可以把炮身轻量化；此后，又改进了点火方式、瞄准方式、填弹方式等等细节技术，就这样，通过定量的计算分析，再细节改进，一点一点的将枪炮、火药应用技术发展成熟，并以此推动了化学、力学、机械学、军事学等多个学科的迅速发展。

这不仅让我想到如今各种层出不穷、令人眼花缭乱创新和变革的新名称，如果没有具体的和实在的理论提升和技术革新，名号叫的再响亮也无济于事。

参考文献：
当年明月 明朝那些事
历史上欧洲和中国的枪炮 http://m.kdnet.net/share-11765966.html
筱田耕一中国古兵器大全
容志毅. 东晋道士发明火药新说[J]. 中国道教, 2009, 72(2):188-192.
刘腾. 威震四方的明朝大阅兵[J]. 科学大观园, 2010(18):33-33.
宁建国. 方方面面话爆炸. (大众力学丛书)

来源：力学酒吧微信公众号（ID：Mechanics-Bar），作者：张伟伟 太原科技大学。