基本介紹
- 中文名：神臂弓
- 別稱：神臂弩
- 朝代：宋
- 尺寸：弓身長三尺三
基本史料,《宋史 兵志》,《夢溪筆談》,宋史的訓練之制,考古發現,近人的推測之作,製作材料,射擊方式,做功距離,拉力,使用的箭,使用的弓弦,飛行過程分析,240步的推測,設計評價,最後的疑團,
基本史料
《宋史 兵志》
熙寧元年，始命入內副都知張若水、西上閣門使李評料簡弓弩而增修之。若水進所造神臂弓，實李宏所獻，蓋弩類也。以檿為身，檀為弰，鐵為登子槍頭，銅為馬面牙發，麻繩扎絲為弦。弓之身三尺有二寸，弦長二尺有五寸，箭木羽長數寸，射三百四十餘步，入榆木半笴。
《夢溪筆談》
神臂弓其餘如《宋會要輯稿》《文獻通考》《曲洧舊聞》《容齋三筆》等史料中，神臂弓的射程作“二百四十步”，如《容齋三筆》卷十六《神臂弓》
神臂弓出於弩遺法，古未有也。熙寧元年，民李宏始獻之入內，副都知張若水方受旨料簡弓弩，取以進。其法以桑木為身，檀為秢，鐵為蹬子槍頭，銅為馬面牙發，麻繩扎絲為弦。弓之身三尺有二寸，弦長二尺有五寸，箭木羽長數寸，射二百四十餘步，入榆木半秥。
宋史是元人根據宋代的文獻、檔案編纂的。
宋史的訓練之制
[六年，從郭忠紹之請，步軍弩手第一等者，令兼習神臂弓。]
[三年五月，詔在京、府界諸路禁軍格鬥法，自今並依元豐條法教習。七月，詔選弩手兼習神臂弓。八月，詔：“殿前、馬步軍司見管教頭，別選事藝精強、通曉教像體法者，展轉教習。其弓箭手馬、步射射親，用點藥包指及第二指知鏃，並如元豐格法。”是月，又詔復神臂弓射法為百二十步。]
[四年五月，臣僚上言：“神臂弓垛遠百二十步，給箭十隻，取五中為合格，軍中少得該賞，恐惰於習射。送殿前、馬步軍司勘會，將中貼箭數並改為上垛，其一中貼此兩上垛。”從之。
五年三月，詔：“自今敢占留將兵，不赴教閱，並以違御筆論。不按舉者，如其罪。”十一月，臣僚言：“春秋大教，諸軍弓弩上取鬥力高強，其射親中多者，激賞太薄，無以為勸。”詔依元豐法。]
考古發現
“近於陝西省城見有城樓舊題神臂弩數百張，相傳者百餘年矣。乃知先朝亦嘗制此。雖皆損壞，而制度猶存，但箭則無矣。臣謹從宜遵效造成。其制以闊厚堅勁大弓，其力一百五十斤上下、及一百二十斤上下、及九十斤上下，為三等，慮人力有強弱也。其長均為四尺五寸，矢取其利最遠，而端可及三百步內外者。為矢，其長均七寸五分，其重則六錢上下，亦三等，俾與弩稱。復效漢耿恭之法，箭簇開四尖，又輔以荷蘭嵩縣等處射虎箭藥，俾入馬中無不三洞。尤虜所畏。其箭簇後小鐵管心，僅長分許，入箭桿處內用漆膠外用竹絲以夾縛之，俾虜不能取以反射。蓋虜之射藝極精，矢無虛發，惟此足以勝之。”
注意實物的尺寸和原始記載是吻合的，長4尺5寸，所以不存在這個是啥啥後期弱化了的版本的可能。尤其提到拉力分為三檔，分別是90斤、120斤和150斤（明代一斤590g，和現代一斤差不太多，折算的話，是53.1kg、70.8kg，88.5kg）。這樣的話，和英式長弓拉力基本相當，射程最遠可及300步，而不是300步外還有殺傷力。應該說，這些數據都是符合常識的。
（注1：明代一斤約合600g，現代一市斤合500g。現殘存明代砝碼一斤多少於600g，少數多於600g。故而一百五十斤約合90Kg。）
（注2：“先朝”指元朝而非宋朝。此處神臂弓只是元朝仿製宋朝某種型號的神臂弓的復原品，而已知宋代神臂弓有多個強弱不同的型號存在，因而不能以此代表全部的型號。）
而就這兩個圖來看，似乎神臂弩的確是一種介於單兵和床弩之間的多用途弩。注意看的話，那個“神臂床子連城弩”其實並非是正式的床弩，而更像是直接拿一個單兵弩架在某個依託物上上弦發射，關鍵是用弩最前方的一個鉤子形裝置和下方支架起到固定的作用。這樣的話，神臂弩就並非是腳張弩，而是利用前方的鉤子作為支點，下方支臂作為支撐，來完成上弦的，所以其拉力可能較通常腳張弩略大。這么看的話，前面帖子關於神臂+偏架的推測，似乎可以加以印證。
另外明後期大臣向皇帝主張挖掘古墓中的弩機來改良明代弩的射程和威力，說明了明代弩威力大不如宋。
近人的推測之作
製作材料
根據它的弦/弓比，就可以斷定它是複合材料製成的。單體木弩的弓的形狀類似一段圓弧，弦/弓比大於0.9，而神臂弓的弦/弓比小於0.8，如果是單體木弩，只有在快拉滿的時候，才能達到這樣的弦/弓比。神父卡茨提到過這一點，但是，他先假定神臂弓是木弩，因此判斷弓長的記錄有誤，這是不正確的。
另一方面，神臂弓的弓長100cm，單體木弩在尺寸如此小巧的前提下，不可能這般強勁。因為單位質量山桑木的儲能，不過複合材料的三分之一。神臂弓這樣輕巧，又如此強勁，弩弓材料一定非同一般，而在中國，複合弓、弩的製作從商晚期代就開始了，在中國古代一直大行其道，用在神臂弓上是很正常的事情。
射擊方式
任何一種弓、弩，當然都能45度左右的初仰角射擊，以獲得最大射程，但弓弩的實際使用方式並非如此。因此，要討論射程，必須在限定初仰角的前提下進行。
從前面的史料中我們可以看到，“二百四十步”，“三百四十步”，“三百步”這些測試的記錄，都有相同點：結果不同，但都很遠；但最關鍵的是，目標尺寸都不大。二百四十步合三百七十米，已經非常遙遠了，要命中“榆木”、“重札”，非瞄準不可，不可能大仰角射擊，除非這些目標有十米以上的高度，以及相近級別的寬度。
神臂弓的瞄準方式和前代的弩有所不同。更早的弩，箭比較長，就位後箭頭伸出弩臂，弩手根據目標的距離，以及自身的經驗，在望山上選擇適當高度的位置，和簇尖、目標成三點一線。神臂弓的弩箭很短，僅數寸長，按6~8寸計算，就是19~25cm，不可能伸出弩臂，因此必然用箭槽前連線埠代替簇尖瞄準。這肯定是一個進步，因為同一種箭的長度也會有微小的差別。這樣，最大仰角就由望山高度和望山到弩臂前端的距離確定。
從戰國到秦代的弩，望山高度較小，但一直在逐步增加，從最低的3.5cm到兵馬俑出土弩機的6cm。進入漢代以後，望山高度大幅度增加，根據這一時期的出土文物，達到9~13cm。三國、兩晉時代也保持著這樣的尺寸。這樣，我們可以推測，神臂弓的望山高度大約10cm多一點。
做功距離
踏張弩的規格多樣，但有一點比較穩定，就是開弩時的最終提拉高度，合理的範圍大約80~85cm，這樣的高度能夠比較充分地發揮人的潛能。模擬一下開弩的動作就能發現這一點。
起始高度呢？腳蹬（踏環）大約20cm，弩弓的縱向尺寸也大致相當或略大一點，考慮兩者的尺寸有重疊部分，因此，開弩時的起始高度可以降低到40cm甚至35 cm。
這樣，神臂弓的做功距離大約40~45cm，最多可以達到50cm，我相信克敵弓就接近50cm。根據《容齋三筆》，克敵弓是神臂弓的改進型，增加了尺寸，更加強勁。
我們可以大致估算，40~45cm左右的做功距離的構成。弦的張角變化大約提供一半多，弦長80cm，一半為40cm，開弩過程結束，假定兩側弦的張角為90度，則縱向移動距離28cm。其餘的部分由弓的變形獲得。
80~85的總距離，扣除腳蹬的大約20cm，望山到弩臂前端的距離大致為60~65cm。因此，最大初仰角大約為10度，對應10.6~11.5cm的望山高度，這正是典型的望山高度。
拉力
這是爭議比較大的地方。
二石三斗是拉力？我們看看宋代弩的考核標準。wdg2000匯總了宋史中的有關記錄；
康定元年，帝御便殿閱諸軍陣法。議者謂諸軍止教坐作進退，雖整肅可觀，然臨敵難用，請自今遣官閱陣畢，令解鐙以弓弩射。營置弓三等，自一石至八斗；弩四等，自二石八斗至二石五斗，以次閱習。詔行之陝西、河東、河北路。"
（慶曆）六年，詔諸軍夏三月毋教弓弩，止習短兵。又詔：“以春秋大教弓射一石四斗、 弩彍三石八斗、槍刀手勝三人者，立為武藝出眾格。中者，本營闕階級即以次補。”"
至和元年，詔：“諸軍選將校，武藝鈞，以射親為上。”韓琦又言：“奉詔，軍士弩彍四石二斗並弓箭、槍手應舊規選中者，即給挺補守闕押官，然則排連舊制為虛文矣。請三路兵遇春秋大教，武技出眾者優給賞物，免本營他役，候階級闕，如舊制選補。”奏可。"
乾道中，詔弓箭手元射一石四鬥力升加三斗，元射一石力升加五斗，弩手元射四石力升加五斗，元射兩石七鬥力升加八斗，進秩推賞有差。"
淳熙間，立槍手及射鐵簾格。．．．詔中垛簾弓箭手一石二鬥力十箭，弩手四石力八箭，依格進兩秩，各賜錢百緡；弓箭手一石力十箭以上，弩手三石力八箭，各進兩秩。"
（紹熙）二年，樞密院言：“殿、步司諸軍弓箭手，帶甲六十步射，一石二鬥力，箭十 二，六箭中垛為本等。弩手，帶甲百步射，四石力，箭十二，五箭中垛為本等。
再看《夢溪筆談》中的記載
鈞石之石，五權之名，石重百二十斤。後人以一斛為一石，自漢已如此，“飲酒一石不亂”是也。挽蹶弓弩，古人以鈞石率之。今人乃以粳米一斛之重為一石。凡石者，以九十二斤半為法，乃漢秤三百四十一斤也。今之武卒蹶弩，有及九石者，計其力乃古之二十五石，比魏之武卒，人當二人有餘；弓有挽三石者，乃古之三十四鈞，比顏高之弓，人當五人有餘。此皆近歳教養所成。以至擊刺馳射，皆盡夷夏之術；器仗鎧胄，極今古之工巧。武備之盛，前世未有其比。
可見宋代弩的拉力非常驚人，考核標準很高，多數在4石左右。1宋斤為633g，按《夢溪筆談》中的記載，測試弓弩拉力，1石按92.5宋斤計。王增瑜先生在《宋朝兵制初探》中討論過這個問題。韓琦曾說“今之試武藝，弓弩惟務鬥力多，而不求所射疏密，…，乃軍中之戲”，批評開弩只求力大，不求準確，訓練不求實藝；《夢溪筆談》中的記載也說明宋代弓弩的拉力驚人，蹶弩記錄達到9石（沈括這裡換算可能出了錯誤，‘乃漢稱三百四十一斤也’，只能是120宋斤的‘石’，後面的幾個‘石’，都應為120宋斤，這裡不多討論），沈括自己也很自豪。看來還真是如此，並非史料誇大。
神臂弓素以強勁著稱，不可能只有2石3斗拉力，尤其是後期降到1石4斗，更不可能。
那么，結論只有一個，測試拉力時，用2個硾。如果按常規，重物掛在弦上，則2硾並列或硾上下設鉤，上鉤掛弦，下鉤掛另一硾，這樣，拉力為4石6斗，約合269公斤。這確實太強，後期降低到二石八斗（164 kg）就是很自然的事情了，直到由於抗金作戰的需要，出現更加強勁的神勁弓和克敵弓，但拉力恐怕也就是大致恢復到早期神臂弓的水平。
為什麼要兩個硾？強壯的弩兵可以開4石6斗的強弩，但兩個測試者未必能挑得動270公斤的重硾，分成兩個，就比較容易操作，這是我的看法。
兩個硾還可以有另外的作用。箭上有木羽，所以弩臂上的箭槽是很淺的，深度必定小於箭桿半徑，箭槽有一點導向作用，但不強。神臂弓很精確，為此，弩弓兩端的平衡非常重要，在弓的雙耳上掛硾，可以確定
弩弓兩側是否平衡。
使用的箭
神臂弓的箭很短，數寸而已，1宋寸為3.12cm，按6~8寸計算，就是19~25cm。
根據這樣的長度，截面積也必定相應減小，箭的長/截面直徑比和普通的箭相當或略粗壯一點是合理的，如果和普通的箭一樣粗，則空氣阻力太大，速度衰減很快，射程也會大大縮短。因此，神臂弓的箭一定比較輕。
4石6斗拉力，40cm的做功距離，這樣的複合弓，大約可以使20g/22g/24g的箭分別獲得140 ~150 m/s的初速度。我計算過16~26g的箭的各種情況，不考慮更輕的箭是因為弩的能量轉換效率太低，不考慮更重的箭是因為初速度低，又要減少迎風面積以減少阻力，要達到預定的重量，箭需要幾乎全部由金屬組成，再增加重量就達不到了，因為箭的長度應在6~8寸，不應超過9寸。後面我們會看到計算的例子。
使用的弓弦
4石6斗，這么大的拉力，麻繩製作的弦直徑應達到1cm左右。那么，箭這么細，怎么配合呢？可以增加木製尾部的直徑，但這樣會大大增加飛行阻力，不行。個人認為，垂直尾羽是關鍵，弦是推動尾羽而推動箭的。從弩臂上端面計，垂直尾羽的高度只要達到8、9mm，弦釋放後，就可以順利推動箭飛出。
回頭看來，“箭木羽長數寸”，簡短的幾個字，內涵卻實在太豐富了。
飛行過程分析
這是一個不可缺少的過程。根據箭的質量、初速度、仰角，和假定的空氣阻力係數，可以得到箭的速度和行程與時間的關係，就可以判斷能否達到預定的射程。我們來看一下，神臂弓是否能達到520米的射程，需要什麼條件。
空氣阻力依據通常的模型計算，和速度的平方成正比。
由於初仰角只有10度，因此可以對問題進行簡化。在飛行的前半段重力有微小的減速作用，而在後半段有微小的加速作用，從分析射程的角度，兩者作用都很小，大小相近，方向相反，相互抵消，因此可以忽略。這樣，問題就大大簡化了。
總行程呢？初仰角10度，射程520米，那么，總行程必定略小於520/cos(10°)=528米。我們就保守一點，讓箭飛行528米。
剩下的計算就很容易了，通過一個最簡單的微分方程，就可以得到需要的結果，下表是一個例子。
箭重20g，初速度150m/s，阻力係數 1.50E-5，則速度和時間的關係為
時間 0 1 2 3 4 4.32
速度 150 135 122 112 103 101
4.32秒後的行程528.1米。阻力係數要通過二分法一類的方法，反覆試算得到，幾次就可以了。
假定弩箭頭部冠的尺寸和箭桿直徑的比例與普通箭相同，根據阻力係數，可以知道箭的直徑大約4.9mm，木製的尾部至少應有5cm長，則箭長大約18cm或略多一點。
因為箭比較細，我個人傾向於簇尖沒有這樣的冠，而是類似於卷筆刀削過的鉛筆。這樣，箭桿比上面的結果還要粗一點。
末速度100.9m/s！，有這樣的速度，末動能與前面提到的長弓相比，大了近一倍，‘入榆木半笴’當然沒有問題，穿甲能力強多了！
再看一個例子
箭重22g，初速度145m/s，阻力係數 1.39E-5，則速度和時間的關係為
時間 0 1 2 3 4 4.32
速度 145 133 123 114 106 104
4.32秒後的行程527.8米。箭的直徑4.7mm，箭的總長約20mm。
例子3
箭重24g，初速度140m/s，阻力係數 1.21E-5，則結果為
時間 0 1 2 3 4 4.32
速度 140 131 123 116 109 107
4.32秒後的行程527.9米。箭的直徑4.4mm，箭的總長約24mm。
因此，箭輕一點，細一點，20~24 g，直徑4.4~4.7mm（頭部無冠的話，還要粗一些，大約5mm吧），就可以達到520米的射程。這樣的比例正常嗎？我們把長度放大兩倍，54~72cm，直徑也相應放大，則為14.7~13.2mm，是很粗壯的。這么細的箭，有殺傷力嗎？根據其動能，300步洞重札沒有問題，而且，為了追求使用效率，神臂弓的實際使用距離不超過200米，末速度很快，命中目標就是洞穿，鎧甲根本沒用，殺傷力還是很大。由於計算有些保守，做功距離又考慮40cm，如果是45cm，則初速度更高一點，考慮這些因素，箭的直徑還可以略微大一點。
如果射程是240步，那么，要達到300步，22g的箭，仰角要15度，根本沒法瞄準，而且末速度不過66m/s，這樣的動能，不能“洞重札”。即使考慮望山高度只支持9.5度的最大初仰角，射程240步，那么，達到300步，仰角也需要14.4度，末速度小於70m/s，動能仍然不夠。前面提到，沈括管理過武器的生產，他親眼見證過早期的神臂弓，他的描述當然分量極重。因此我相信，340步的射程是早期神臂弓的最大射程。
240步的推測
可見，神臂弓在後期經過改動，拉力大大減小。這和神臂弓拉力太大不無關係，作為軍隊中配備相當數量的武器，4石6斗拉力確實太強，不便使用。我們可以猜測，240步是拉力減少以後神臂弓的射程。那么，就驗算一下。
2石8斗拉力，22g的箭，弩弓變輕，能量轉換效率有所提高，初速度應在110~120m/s之間，取115m/s，10度仰角，阻力係數1.39E-5，則射程就在240步左右！反過來，射程240步，則可計算出初速度為116m/s。吻合得相當好。
設計評價
這樣輕的箭，悲觀的看法是弩的能量轉換效率太低，不可能獲得假定的性能，但看看長弓和韃靼弓，那么大尺寸，箭重不過60g左右，神臂弓要緊湊得多，不僅弓長較短，從弓/弦比看，弓的彎曲程度比較大，不可能是非常粗壯的，弓的斷面尺寸較小，因此，完全可以使用較輕的箭而不至於效率下降過多。
從儲能的角度看，4.6石/0.40米做功距離，和700N/0.58米做功距離相比，做功幾乎大了2倍，但由於弓的儲能密度差距很大，兩者的質量應大體相當；弩弦更粗，但長弓的弦很長，拉滿後張角較大，弦需要有所增強，因此，兩者質量差別也不是特別大。綜合評價，由於箭重得多，神臂弓的設計，技術含量高得多。用輕而細的箭，弩的能量轉換效率低一些，但箭的飛行效率高，動能損失慢，軌跡也更穩定，擊中目標後雖然創口較小，但考慮洞穿目標，殺傷力還是很大。這是綜合考慮了各種因素的傑出設計。
最後的疑團
神臂弓的弩弓，到底是什麼結構？是竹片作胎，拉力一般不超過百磅。神臂弓的弓長才1米，實在太緊湊了。難道是多層桑木疊合，相鄰的兩層間都粘有牛筋？已經不得而知了。但願在不久的將來，我們能看到複製的、參數和性能符合史料記載的神臂弓。。。
早期射程340步，拉力4石6斗，後期射程240步，拉力2石8斗；做功距離40cm或略大一點，箭輕而細，大約22g，箭桿直徑5mm或略大一點…這些就是我對神臂弓的看法。需要指出的是，很多內容都是猜測，歡迎拍磚。這裡要感謝Laminin、wdg2000、羽陵，當然還有神甫卡茨，很多的想法都來源於他們或他們提供的資料。
