怎么防彈是個物理學問題

老人常念叨的一句話：“刀不快就切不動肉”，確實，如果刀刃不鋒利，你們切肉的時候需要費比較大的力氣。從物理學的角度講，刀口鈍，刀刃與肉之間的接觸面積大，同樣的力量下壓強更小，自然不容易把肉切開。

刀不快就切不動肉

如果把刀板墊在肉的上面，隔著刀板切肉會怎樣？聰明的你一定會大叫：“你瘋了吧？！”

嗯，這確實是個愚蠢的想法，沒有人會這么干——那需要你使用極大的力量，先把砧板劈開才能切到肉。

但是子彈不一樣，由于火藥賦予的強大動能，即便是一顆圓頭的手槍子彈從近距離發射，也能夠輕易穿透木板打入身體里。所以想借助門板擋子彈往往是徒勞的，電影里的那些個鏡頭不可信。

出膛的子彈擁有強大動能

不過在打仗的時候，人們常常還是會想盡一切辦法將自己保護起來。扛著門板到處跑不現實，于是方便穿戴的鎧甲便應運而生。

防彈背心進化史

防彈背心最早的雛形是冷兵器時期將士身上的鎧甲。傳說在咱們先秦時期就已經有了用竹片、皮革等縫制的軟甲，到了戰國后期更是有了青銅或鐵制的護甲，稱為鎧。現今出土的秦兵馬俑中大量身披鎧甲的陶俑士兵就可以窺見當時這種防護裝備的普及程度。

秦兵馬俑的護甲

鎧甲在出現后的幾千年時間里并沒有太大進步，一方面冷兵器的攻擊力沒有實質性的突破，同時鎧甲的制造受制于成本和材料的局限，不同的可能只是制作工藝比最初時更加成熟和完善罷了。

趙子龍身披鎧甲

鎧甲可以抵擋一部分箭矢、刀劈和槍刺，若這些攻擊的作用力比較小，鎧甲可以通過增大其作用面積減小對皮膚的壓強，從而將肌體的受力控制在可承受的范圍。但如果某支箭從鎧甲的縫隙間穿過，或者矛刺、斧砍的力度非常大，鎧甲發生破裂，就會導致傷害。

隨著火槍的發明和普及，傳統的鎧甲的防護優勢漸漸喪失。因為無論是皮革、藤條還是鐵片編制的鎧甲在子彈的強大動能面前形同虛設，于是更加厚重堅固的鋼鐵鎧甲應運而生。

最早用于防彈的裝甲據說在公元14世紀羅馬帝國時期就已經在意大利出現，1650年代英國內戰時期出現了兩層鐵片夾一層織物的復合裝甲，而到了1800年代日本更是出現了利用多層絲綢制作的軟式防彈衣。

早期防彈衣上的彈痕

由于早期的子彈是石頭或鑄鉛制造的小圓球，一方面火藥槍可以提供的動能不足，同時彈丸容易破碎或變形，所以稍厚一點的鍛造鐵皮便可應付。

隨著槍支、發射藥和子彈技術的迅猛進步，防彈衣也變得越來越厚重，到了第一次世界大戰時，人們不得不使用強度更高的鋼板來制作防彈衣。盡管可以為士兵提供一些保護，但鑒于它實在過于笨重而且昂貴，到第二次世界大戰爆發時，也沒有多少人愿意穿戴。另一個原因是這些沉重的防彈衣在重機槍子彈面前脆弱得跟紙一樣，軍隊通常只要求那些轟炸機飛行員或肩負特殊任務的士兵穿著由合金鋼板制作的防彈衣來加以保護。

一戰德軍士兵與二戰蘇軍士兵

相比于士兵們的不冷不熱，警察們對防彈衣卻始終充滿著熱情。

其中一個重要原因就是警察們面對的最大威脅不是重機槍、步槍或炮彈的彈片，他們時刻受到黑幫匪徒的手槍子彈威脅。與在戰場相比，左輪手槍子彈的動能低得多，殺傷力和殺傷距離也小很多，那些更加輕便的防彈衣足以應付。

軍火商向警察示范防彈背心

防彈衣是怎么工作的？

我們在文章的開頭拿切肉來打比方，說明壓強的重要性。在同樣的子彈動能下，受力面積越小壓強就越大，反之，受力面積越大皮膚的壓強就越小。防彈衣與早期的鎧甲一樣，也是通過增加受力面積、減小壓強來達到保護肌體之目的，如同你將砧板放在肉上面就無法切肉一樣。

防彈衣可以分散子彈的沖擊力，減小壓強

你可能已經猜到，上面這張圖所表述的只是一種理想狀態，實際上任何一件防彈衣在遭遇子彈打擊的時候都會產生局部變形，也就是說真正的防彈衣不能將子彈的動能完全均勻地分散到身體表面，除非你在身上披掛著十厘米厚的鋼板（那將是你不可承受之重）。

防彈衣是通過形變來吸收子彈的動能，將大部分動能轉化為熱能，同時將子彈的沖擊力分散到更大的面積，從而最大限度地保護我們的身體。

上世紀四五十年代的防彈衣依靠合金鋼板來抵擋子彈，事實上現在依然有許多防彈背心采用添加高錳鋼板來增加防護效果，當子彈擊中鋼板時，它會產生局部凹陷，從而將動能吸收。不同口徑的手槍子彈會在鋼板上制造程度不同的凹坑，機槍子彈則會制造一個洞。

不同口徑手槍彈在鋼板上留下的凹痕

一塊鋼板重達幾公斤，每天背負著兩塊鋼板跑來跑去執行任務對警察來說是件苦差事，除非迫不得已沒有人愿意這么干。于是軍火商們一面加緊生產殺傷力更強的槍彈，一邊絞盡腦汁為防彈衣減重。

日本人曾經將多層絲綢縫制在一起來抵擋子彈，但絲綢太過于昂貴，它對新一代手槍也無效，軍火商用棉布代替的效果更不理想。直到1970年代凱夫拉纖維被發明出來，情形才得到大幅改觀。

凱夫拉是一種芳綸纖維，它最初被發明出來是為了代替汽車輪胎中的鋼絲網，沒錯，這就是我們熟知的“簾子布”。

凱夫拉纖維織物

芳綸纖維耐熱并且非常堅固，這是因為它的分子間有非常多的氫鍵將羥基和NH中心相連接，這使得其分子間結構非常牢固。同樣由于氫鍵的作用，凱夫拉纖維的分子呈現平面的片狀結構，這比其它絲狀結構的聚合物纖維強度要高許多。

芳綸纖維的分子間由大量氫鍵連接

通過將多層凱夫拉纖維織物縫制粘合在一起，我們就可以得到強度很高，但重量比鋼板輕得多的防彈裝備了。

與鋼板的另一個區別是，凱夫拉纖維的防彈是通過更大幅度的形變來實現的。在由凱夫拉制成的防彈背心中，一層層交錯的纖維一點點地消耗子彈動能，直到由最后一層織物來將子彈兜住。這意味著它將產生更大的變形和斷裂，人盡管不會被子彈殺死，但受傷甚至折斷肋骨卻是常有的事。這是為減輕重量而付出的代價。

凱夫拉背心或許可以保命，但不能避免受傷

有沒有兩全其美的辦法呢？

在入侵阿富汗之后的許多年里，美占領軍四面受敵，AK47的子彈和土炸彈令士兵們惶惶不安。為求保命，士兵們常常要自己花錢往凱夫拉防彈背心里加裝防彈裝甲用來強化保護。

士兵們在防彈衣里加裝裝甲

這些額外加裝的防彈裝甲有些是由凱夫拉粘合而成，有些是厚重的鋼板，還有的是陶瓷。

碳化硼陶瓷與我們平時用的碗碟陶瓷不同，它是由硼和碳結合而成的晶體。由于碳化硼的維氏硬度達38GPa、彈性模量達460GPa，是目前已知第三高硬度的物質，因此有“黑鉆石”之稱。又由于其密度僅為2.52克/立方厘米，比鋼要輕許多，因此是高級防彈裝甲的理想材料。

碳化硼陶瓷和它的晶體形態

與鋼板和凱夫拉受沖擊變形不同，陶瓷裝甲在子彈強大動能的撞擊下會發生局部破碎。由于其破碎的范圍比受沖擊面要大得多，因此得以分散子彈的壓強，與此同時，子彈的大部分動能被陶瓷吸收，通過碎片之間相互摩擦作用轉化為熱能。

陶瓷通過自身碎裂來吸收子彈動能

陶瓷防彈裝甲的好處是它可以抵抗動量很高的步槍子彈。盡管自身不會發生彎曲形變，但它的碎片依然會構成扇形沖擊面，如果沒有東西“兜底”，依然有可能造成傷害。因此陶瓷裝甲需要與多層凱夫拉配合使用，并且一旦中槍就必須更換。破碎的陶瓷裝甲是沒有任何防護作用的。

總結：

我們通過對防彈衣演化的過程簡單介紹了它的工作原理。簡而言之，防彈衣是在受到子彈撞擊時產生形變或破碎，從而將子彈大部分的動能轉化為熱能來實現防護的。與此同時，防彈衣還通過分散子彈的沖擊面，降低其壓強來減小傷害。

防彈背心

最好的防護與最輕的負擔是一對矛盾，戰場上子彈的速度常常高達800米/秒以上，7.62毫米北約彈的動量高達8.13kgm/s，它可以輕易穿透5毫米厚的鋼板，你不能指望士兵們每天背負著幾十公斤重的護具戰斗，因此復合裝甲應運而生。通過凱夫拉纖維、鋼板或陶瓷的組合，可以最大限度地提供防護，同時又將重量控制在可接受的范圍，是現代防彈背心始終追求的目標。