揭秘極品寶刀背後的力學原理，刀好不好用，取決於這幾個因素

本文作者：尚開紅，匠人工坊創始人，大馬士革刀文化研究者

我們經常在小說當中讀到，各路豪傑為爭奪一把「絕世寶刀」斗得死去活來。那麼究竟滿足什麼條件的刀，才算得上絕世寶刀？

刀的應用，無外乎切、砍、剁、劃、割，總之是利用壓強把物體分開。我們不妨運用高中物理知識，從刀的力學原理入手，做一下分析。

我得到一份調查資料，針對的是我們日常經常用到的各類刀具，測試它們的使用性能與刀具各項參數之間的關係。市場上的刀具種類繁多，調查者從刀具市場、五金店採購了使用頻率較高的幾種刀具：普通菜刀、水果刀、帶鋸條的鋸齒刀、剁骨刀等。這些刀具的外觀、材料、用途、重量、長短都各不相同。

刀具的外形及所涉及力學知識

根據測試，決定刀具性能的外形因素包括：刀口，楔形刀身，質量和刀柄長短。從力學角度，這些因素和使用效果的對應關係如下：

這些力學知識主要涉及以下幾個方面：

1，力的合成與分解。力的合成與分解滿足平行四邊形定則：如果用表示兩個共點力F1和F2的線段為鄰邊作平行四邊形，那麼合力F的大小和方向就可以用F1、F2所夾的角的度數以及大小來表示。

2，壓強的計算。物體所受的壓力與受力面積之比叫做壓強，壓強用來比較壓力產生的效果，壓強越大，壓力的作用效果越明顯。壓強的計算公式是: p=F/S，壓強的單位是帕斯卡，符號是Pa。

刀刃厚度與用途的關係

實驗一：切土豆

實驗二：用同樣大小的力去劃同一本書

綜合兩表以及刀具的規格，刀越鋒利，劃切物體越容易，即刀口越薄，越容易切物體。為什麼呢？

我們想到力在面積上的反映——壓強。由P=F/S，F一定，S越小，P越大；S一定，F越大，P越大。因此，刀的鋒利程度與刀刃厚薄有關。

刀口的楔形程度與用途的關係

刀口的楔形程度和刀身的扁平程度直接影響著人們對刀的使用。

通過實驗可得，用剁骨刀砍的兩塊骨頭深度大，用普通菜刀砍的那根骨頭的切口深度小，還有一個重大發現：普通菜刀刀口有點兒卷。

再仔細觀察兩種刀具，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較小，容易在受到強烈衝擊後捲起來；剁骨刀刀身厚且不平整，因而它所能承受的外力要大一些。

這也使我們認識到刀身較薄的刀（如普通菜刀）不能用來砍骨頭這一類的硬東西，而應該選刀身較厚的刀(如剁骨刀)來砍，否則容易將刀口砍缺或砍卷，影響刀的使用壽命，當然，砍硬物品的刀還與刀刃的硬度有關。

刀身寬窄與用途的關係

通過用菜刀和水果刀切土豆實驗得出：刀身越寬的刀，方便於切物體；刀身越窄的刀，方便於割物體。

刀身質量與用途的關係

讓三把質量不同的刀從相同的高度自由落下，切同一個紅薯。

刀口最鋒利的水果刀切入紅薯卻最淺，這是什麼原因呢？再看錶中數據，我們發現：水果刀的質量最小。經過分析後得到刀的質量大，慣性大，運動狀態難以改變。再經過詳細地分析，得出以下結論：

當刀從相同高空自由落下時，刀以重力加速度g加速運動，它接觸到物體時的瞬時速度為V=√2gh，當刀接觸物體後合力F合=f-mg，這段時間內刀的加速度a=F合m=(f-mg) m=fm一g，則刀在物體中的位移S=V2 2a=2gh/(fm-g)。

因此，在我們控制高度h和刀所受阻力f不變時，刀切入物體的深度隨刀的質量的增大而增大。

我們得出，切相同的物體，刀的質量越大，使用起來就越省力。

刀的質量越大，使用越省力，但有時使用省力，切出的物體卻不能達到最好的效果。因此， 人們往往會因物體不同而選擇不同質量的刀。

綜上我們得出結論。一把用於戰鬥的刀，1，刀刃要薄；2，刀背不能太厚，以保證楔形角度交，利於切割；3，刃口要寬；4，刀要夠分量，但不能超出體力範圍，不能重到難以駕馭。

刀刃越薄，對刀片硬度和彈性的要求就越高。光有硬度不行，那樣開出薄刃的話遇到硬度較高的物體就很容易崩口和卷刃。還需要有足夠的彈性，令刀口可以自我保護。刀背厚度決定著整把刀的抗擊打能力，刀背越薄的刀，要想在遭受較大反作用力時不折斷或者彎曲，同樣需要足夠的硬度和彈性。

因此古代的絕世寶刀，最重要的指標就是在保持高硬度的前提下具有足夠的韌性。然而我們都知道，對於鋼鐵來說，硬度和韌性永遠是一對矛盾體。硬度越高，則韌性越差。

古人解決硬度和韌性這對矛盾的方法有很多，比如摺疊鍛打，嵌鋼，包鋼等等。著名的大馬士革刀，就是摺疊鍛打工藝的結晶。

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