怎么防弹是个物理学问题

老人常念叨的一句话：“刀不快就切不动肉”，确实，如果刀刃不锋利，你们切肉的时候需要费比较大的力气。从物理学的角度讲，刀口钝，刀刃与肉之间的接触面积大，同样的力量下压强更小，自然不容易把肉切开。

刀不快就切不动肉

如果把刀板垫在肉的上面，隔着刀板切肉会怎样？聪明的你一定会大叫：“你疯了吧？！”

嗯，这确实是个愚蠢的想法，没有人会这么干——那需要你使用极大的力量，先把砧板劈开才能切到肉。

但是子弹不一样，由于火药赋予的强大动能，即便是一颗圆头的手枪子弹从近距离发射，也能够轻易穿透木板打入身体里。所以想借助门板挡子弹往往是徒劳的，电影里的那些个镜头不可信。

出膛的子弹拥有强大动能

不过在打仗的时候，人们常常还是会想尽一切办法将自己保护起来。扛着门板到处跑不现实，于是方便穿戴的铠甲便应运而生。

防弹背心进化史

防弹背心最早的雏形是冷兵器时期将士身上的铠甲。传说在咱们先秦时期就已经有了用竹片、皮革等缝制的软甲，到了战国后期更是有了青铜或铁制的护甲，称为铠。现今出土的秦兵马俑中大量身披铠甲的陶俑士兵就可以窥见当时这种防护装备的普及程度。

秦兵马俑的护甲

铠甲在出现后的几千年时间里并没有太大进步，一方面冷兵器的攻击力没有实质性的突破，同时铠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艺比最初时更加成熟和完善罢了。

赵子龙身披铠甲

铠甲可以抵挡一部分箭矢、刀劈和枪刺，若这些攻击的作用力比较小，铠甲可以通过增大其作用面积减小对皮肤的压强，从而将肌体的受力控制在可承受的范围。但如果某支箭从铠甲的缝隙间穿过，或者矛刺、斧砍的力度非常大，铠甲发生破裂，就会导致伤害。

随着火枪的发明和普及，传统的铠甲的防护优势渐渐丧失。因为无论是皮革、藤条还是铁片编制的铠甲在子弹的强大动能面前形同虚设，于是更加厚重坚固的钢铁铠甲应运而生。

最早用于防弹的装甲据说在公元14世纪罗马帝国时期就已经在意大利出现，1650年代英国内战时期出现了两层铁片夹一层织物的复合装甲，而到了1800年代日本更是出现了利用多层丝绸制作的软式防弹衣。

早期防弹衣上的弹痕

由于早期的子弹是石头或铸铅制造的小圆球，一方面火药枪可以提供的动能不足，同时弹丸容易破碎或变形，所以稍厚一点的锻造铁皮便可应付。

随着枪支、发射药和子弹技术的迅猛进步，防弹衣也变得越来越厚重，到了第一次世界大战时，人们不得不使用强度更高的钢板来制作防弹衣。尽管可以为士兵提供一些保护，但鉴于它实在过于笨重而且昂贵，到第二次世界大战爆发时，也没有多少人愿意穿戴。另一个原因是这些沉重的防弹衣在重机枪子弹面前脆弱得跟纸一样，军队通常只要求那些轰炸机飞行员或肩负特殊任务的士兵穿着由合金钢板制作的防弹衣来加以保护。

一战德军士兵与二战苏军士兵

相比于士兵们的不冷不热，警察们对防弹衣却始终充满着热情。

其中一个重要原因就是警察们面对的最大威胁不是重机枪、步枪或炮弹的弹片，他们时刻受到黑帮匪徒的手枪子弹威胁。与在战场相比，左轮手枪子弹的动能低得多，杀伤力和杀伤距离也小很多，那些更加轻便的防弹衣足以应付。

军火商向警察示范防弹背心

防弹衣是怎么工作的？

我们在文章的开头拿切肉来打比方，说明压强的重要性。在同样的子弹动能下，受力面积越小压强就越大，反之，受力面积越大皮肤的压强就越小。防弹衣与早期的铠甲一样，也是通过增加受力面积、减小压强来达到保护肌体之目的，如同你将砧板放在肉上面就无法切肉一样。

防弹衣可以分散子弹的冲击力，减小压强

你可能已经猜到，上面这张图所表述的只是一种理想状态，实际上任何一件防弹衣在遭遇子弹打击的时候都会产生局部变形，也就是说真正的防弹衣不能将子弹的动能完全均匀地分散到身体表面，除非你在身上披挂着十厘米厚的钢板（那将是你不可承受之重）。

防弹衣是通过形变来吸收子弹的动能，将大部分动能转化为热能，同时将子弹的冲击力分散到更大的面积，从而最大限度地保护我们的身体。

上世纪四五十年代的防弹衣依靠合金钢板来抵挡子弹，事实上现在依然有许多防弹背心采用添加高锰钢板来增加防护效果，当子弹击中钢板时，它会产生局部凹陷，从而将动能吸收。不同口径的手枪子弹会在钢板上制造程度不同的凹坑，机枪子弹则会制造一个洞。

不同口径手枪弹在钢板上留下的凹痕

一块钢板重达几公斤，每天背负着两块钢板跑来跑去执行任务对警察来说是件苦差事，除非迫不得已没有人愿意这么干。于是军火商们一面加紧生产杀伤力更强的枪弹，一边绞尽脑汁为防弹衣减重。

日本人曾经将多层丝绸缝制在一起来抵挡子弹，但丝绸太过于昂贵，它对新一代手枪也无效，军火商用棉布代替的效果更不理想。直到1970年代凯夫拉纤维被发明出来，情形才得到大幅改观。

凯夫拉是一种芳纶纤维，它最初被发明出来是为了代替汽车轮胎中的钢丝网，没错，这就是我们熟知的“帘子布”。

凯夫拉纤维织物

芳纶纤维耐热并且非常坚固，这是因为它的分子间有非常多的氢键将羟基和NH中心相连接，这使得其分子间结构非常牢固。同样由于氢键的作用，凯夫拉纤维的分子呈现平面的片状结构，这比其它丝状结构的聚合物纤维强度要高许多。

芳纶纤维的分子间由大量氢键连接

通过将多层凯夫拉纤维织物缝制粘合在一起，我们就可以得到强度很高，但重量比钢板轻得多的防弹装备了。

与钢板的另一个区别是，凯夫拉纤维的防弹是通过更大幅度的形变来实现的。在由凯夫拉制成的防弹背心中，一层层交错的纤维一点点地消耗子弹动能，直到由最后一层织物来将子弹兜住。这意味着它将产生更大的变形和断裂，人尽管不会被子弹杀死，但受伤甚至折断肋骨却是常有的事。这是为减轻重量而付出的代价。

凯夫拉背心或许可以保命，但不能避免受伤

有没有两全其美的办法呢？

在入侵阿富汗之后的许多年里，美占领军四面受敌，AK47的子弹和土炸弹令士兵们惶惶不安。为求保命，士兵们常常要自己花钱往凯夫拉防弹背心里加装防弹装甲用来强化保护。

士兵们在防弹衣里加装装甲

这些额外加装的防弹装甲有些是由凯夫拉粘合而成，有些是厚重的钢板，还有的是陶瓷。

碳化硼陶瓷与我们平时用的碗碟陶瓷不同，它是由硼和碳结合而成的晶体。由于碳化硼的维氏硬度达38GPa、弹性模量达460GPa，是目前已知第三高硬度的物质，因此有“黑钻石”之称。又由于其密度仅为2.52克/立方厘米，比钢要轻许多，因此是高级防弹装甲的理想材料。

碳化硼陶瓷和它的晶体形态

与钢板和凯夫拉受冲击变形不同，陶瓷装甲在子弹强大动能的撞击下会发生局部破碎。由于其破碎的范围比受冲击面要大得多，因此得以分散子弹的压强，与此同时，子弹的大部分动能被陶瓷吸收，通过碎片之间相互摩擦作用转化为热能。

陶瓷通过自身碎裂来吸收子弹动能

陶瓷防弹装甲的好处是它可以抵抗动量很高的步枪子弹。尽管自身不会发生弯曲形变，但它的碎片依然会构成扇形冲击面，如果没有东西“兜底”，依然有可能造成伤害。因此陶瓷装甲需要与多层凯夫拉配合使用，并且一旦中枪就必须更换。破碎的陶瓷装甲是没有任何防护作用的。

总结：

我们通过对防弹衣演化的过程简单介绍了它的工作原理。简而言之，防弹衣是在受到子弹撞击时产生形变或破碎，从而将子弹大部分的动能转化为热能来实现防护的。与此同时，防弹衣还通过分散子弹的冲击面，降低其压强来减小伤害。

防弹背心

最好的防护与最轻的负担是一对矛盾，战场上子弹的速度常常高达800米/秒以上，7.62毫米北约弹的动量高达8.13kgm/s，它可以轻易穿透5毫米厚的钢板，你不能指望士兵们每天背负着几十公斤重的护具战斗，因此复合装甲应运而生。通过凯夫拉纤维、钢板或陶瓷的组合，可以最大限度地提供防护，同时又将重量控制在可接受的范围，是现代防弹背心始终追求的目标。