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《數學心》第444章 弓箭手悖論
  弓箭手悖論是射術裡最有意思的現象之一了。在射箭的時候,普通人下意識的反應應該是拿箭對準目標。但實際上,正常的弓箭手在射箭時箭頭所指的延長線並沒有經過目標。而箭頭指向目標的射法,肯定會打偏。這就是弓箭手悖論。

  英國史上最強弓箭手 Horace Ford是第一個注意到弓箭手悖論這個現象,並且記錄下來的人。但是弓箭手悖論直到20世紀40年代才得到解答。

  簡單來說,在用傳統的弓射箭時,要瞄準目標的並不是箭頭,而是箭的波節,也就是它射出後左右振動的弦上的不動點。這兩個波節的連線必須直插目標,否則就無法打中靶心。

  箭在空中飛行時會左右振動,兩個不動點為波節。

  許多人會感到奇怪,箭不是咻一下筆直射出的嗎,怎麽會振動呢?

  啊哈,箭並不是嚴格的剛體,被射出的時候它會被掰彎,這就直接導致了它的飛行振動模式。

  1938年,被稱為科學弓箭術之父的發明家、美國人 N. Hickman 用了一個4000FPS的相機拍攝了箭在飛行時的畫面,搞明白了箭振動的過程。

  原來在飛行的時候,箭就像一條蛇,會左搖右擺,一邊振動一邊前進。而開弓後,箭頭和箭身會機智地繞過弓把轉彎,不會和弓發生摩擦。

  雖然箭會搖頭晃腦,但是箭身上有兩個點並不會左右晃動,那就是波節。更有趣的是,波節的連線直指箭最終的位置。換句話說,只要讓箭的波節和目標對線,就能射中。

  所以問題的關鍵就在於如何讓箭左右振動,以及如何尋找波節了。

  其實,箭飛行時的左右振動是射手手指和弦摩擦的結果。

  具體來說,在拉弓的時候,箭並沒有扭曲,這種扭曲是手指釋放弓弦時的摩擦產生的。

  以西方常見的地中海式開弓法為例,這種射法是用右手三根手指拉弦,箭放在弓把左邊。左撇子的話左手三根手指拉弦,箭放右邊。

  此外,因為一根手指拉弓的關系,拇指很容易被擦破皮,所以我國人民從先秦開始就有手指戴韘(shè)的傳統,到了清朝這玩意兒就叫做扳指,滿語叫“憨得憨”,用的時候是這樣的——

  總而言之,手指產生了正確方向的摩擦,才能使箭振動,同時產生瞄準目標的兩個波節。而在發射前,預判這兩個波節到底在哪裡,就要靠射手的技術和手感了。

  從技術上來說,箭的振動以及波節的位置取決於箭的質量分布和撓度(箭的彈性),以及弓的張弓拉力和拉距。同一把弓,換一根箭射,波節就會發生變化。所以即便是老手,隨手抓起一根箭也不能一次射準。

  在古代,箭和弓的匹配主要靠人體智能,到了20世紀,這就是數學的事了。

  考古學家和歷史學家就靠弓箭的數學建模估算古代的冷兵器的量級。說個著名的例子。依靠弓箭數學模型,一些人提出,在1415年英法百年戰爭期間使用的60克的箭搭配的是張弓拉力超過450牛頓的弓。

  振動的箭有更大的迎風面積,受到的空氣阻力更大。

  弄明白了箭的物理原理後,Hickman 改良了傳統的弓,發明了從中間放箭的弓(centre-shot bow)。這類弓射箭時不再有明顯的弓箭手悖論,張弓時箭頭甚至可以直指目標。

  但是現代的弓箭在射出的時候,箭本身依然會左右振動,導致箭產生偏移。所以現代的弓上裝有箭震吸收器,吸收箭一開始的振動。
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