揭秘极品宝刀背后的力学原理,刀好不好用,取决于这几个因素

  • 日期:08-28
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  原创匠人工坊2019.7.31我要分享

  本文作者:尚开红,匠人工坊创始人,大马士革刀文化研究者

件的刀,才算得上绝世宝刀?

  绝世宝刀

  刀的应用,无外乎切、砍、剁、划、割,总之是利用压强把物体分开。我们不妨运用高中物理知识,从刀的力学原理入手,做一下分析。

的锯齿刀、剁骨刀等。这些刀具的外观、材料、用途、重量、长短都各不相同。

  刀具性能调查

  刀具的外形及所涉及力学知识

  根据测试,决定刀具性能的外形因素包括:刀口,楔形刀身,质量和刀柄长短。从力学角度,这些因素和使用效果的对应关系如下:

  刀具外形因素与性能的对应关系

  这些力学知识主要涉及以下几个方面:

  1,力的合成与分解。力的合成与分解满足平行四边形定则:如果用表示两个共点力F1和F2的线段为邻边作平行四边形,那么合力F的大小和方向就可以用F1、F2所夹的角的度数以及大小来表示。

  2,压强的计算。物体所受的压力与受力面积之比叫做压强,压强用来比较压力产生的效果,压强越大,压力的作用效果越明显。压强的计算公式是: p=F/S,压强的单位是帕斯卡,符号是Pa。

  刀刃厚度与用途的关系

  实验一:切土豆

  切土豆实验

  实验二:用同样大小的力去划同一本书

  切书实验

  综合两表以及刀具的规格,刀越锋利,划切物体越容易,即刀口越薄,越容易切物体。为什么呢?

  我们想到力在面积上的反映——压强。由P=F/S,F一定,S越小,P越大;S一定,F越大,P越大。因此,刀的锋利程度与刀刃厚薄有关。

  刀口的楔形程度与用途的关系

  刀口的楔形程度和刀身的扁平程度直接影响着人们对刀的使用。

  通过实验可得,用剁骨刀砍的两块骨头深度大,用普通菜刀砍的那根骨头的切口深度小,还有一个重大发现:普通菜刀刀口有点儿卷。

  再仔细观察两种刀具,普通菜刀的刀身要比剁骨刀扁而且平,因而它所能承受的外力较小,容易在受到强烈冲击后卷起来;剁骨刀刀身厚且不平整,因而它所能承受的外力要大一些。

  这也使我们认识到刀身较薄的刀(如普通菜刀)不能用来砍骨头这一类的硬东西,而应该选刀身较厚的刀(如剁骨刀)来砍,否则容易将刀口砍缺或砍卷,影响刀的使用寿命,当然,砍硬物品的刀还与刀刃的硬度有关。

  刀身宽窄与用途的关系

  刀身宽窄与用途的关系

  通过用菜刀和水果刀切土豆实验得出:刀身越宽的刀,方便于切物体;刀身越窄的刀,方便于割物体。

  刀身质量与用途的关系

  让三把质量不同的刀从相同的高度自由落下,切同一个红薯。

  切红薯实验

  刀口最锋利的水果刀切入红薯却最浅,这是什么原因呢?再看表中数据,我们发现:水果刀的质量最小。经过分析后得到刀的质量大,惯性大,运动状态难以改变。再经过详细地分析,得出以下结论:

  惯性原理

  当刀从相同高空自由落下时,刀以重力加速度g加速运动,它接触到物体时的瞬时速度为V=√2gh,当刀接触物体后合力F合=f-mg,这段时间内刀的加速度a=F合m=(f-mg) m=fm一g,则刀在物体中的位移S=V2 2a=2gh/(fm-g)。

  因此,在我们控制高度h和刀所受阻力f不变时,刀切入物体的深度随刀的质量的增大而增大。

  我们得出,切相同的物体,刀的质量越大,使用起来就越省力。

  刀的质量越大,使用越省力,但有时使用省力,切出的物体却不能达到最好的效果。因此, 人们往往会因物体不同而选择不同质量的刀。

  手锻大马士革刀就是为了保持硬度和韧性的平衡

  综上我们得出结论。一把用于战斗的刀,1,刀刃要薄;2,刀背不能太厚,以保证楔形角度交,利于切割;3,刃口要宽;4,刀要够分量,但不能超出体力范围,不能重到难以驾驭。

  手锻大马士革刀

  刀刃越薄,对刀片硬度和弹性的要求就越高。光有硬度不行,那样开出薄刃的话遇到硬度较高的物体就很容易崩口和卷刃。还需要有足够的弹性,令刀口可以自我保护。刀背厚度决定着整把刀的抗击打能力,刀背越薄的刀,要想在遭受较大反作用力时不折断或者弯曲,同样需要足够的硬度和弹性。

  因此古代的绝世宝刀,最重要的指标就是在保持高硬度的前提下具有足够的韧性。然而我们都知道,对于钢铁来说,硬度和韧性永远是一对矛盾体。硬度越高,则韧性越差。

  古人解决硬度和韧性这对矛盾的方法有很多,比如折叠锻打,嵌钢,包钢等等。著名的大马士革刀,就是折叠锻打工艺的结晶。

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