吴殳对枪杆的设计与实际木材的矛盾
吴殳《手臂錄·槍式說》载：
“衝鬥絕力用十三斤，餘只得八斤，最輕不可下五斤也。其勁如鐵，跟大踰握，削之使就手，漸細至尖，尖徑半寸，搦于跟前三尺，衡之正平，居重禦輕，用之乃得靈變。……故以九尺七寸爲定式，戰場、游場皆用此器”
由以上记载可以看出，按照吴殳的设计，枪应当重八斤（明代一斤约合600g即总重4800g），长九尺七寸（按明代营造尺32cm计，长约3100cm），细端直径半寸（1.6cm），重心则在枪“跟前三尺”，即距粗端96cm处（以下重心位置都以距粗端顶点距离计算）。
我们不妨根据以上记载进行一些计算，木材使用较为重硬坚韧的青冈（椆木），其气干密度大约0.8g/cm³：
如图1，若细端直径1.6cm，粗端直径5cm，枪身整体为圆台，则重心103cm，重2702g。与吴殳要求的重量相差太多，重心也距离粗端较远。

图1 （单位mm）
我们可以使用加粗木枪直径和选择密度更大的木料这两个办法来解决这个问题：
1. 增加枪体直径。
这可以分为三种情况，第一，加粗枪尖，但这会使重心位置前移；第二，加粗枪尾，这样做既增加了重量又可以拉后重心，但过粗的枪尾直径会带来后手无法持握的问题；第三，将圆台形枪身的后部，替换为一段圆柱，变相加粗直径以增加重量（实际上相当于加粗了枪腰），这种改动对重心的影响较小，但在枪尾直径不能过大的前提下作用有限。
2.选择密度更大的木材以增加重量，在同等重量下可以缩小直径，便于持握，为重心的调整留出足够的空间。
若使用增加直径的方法，则粗端直径7.5cm时，重心在96.2cm处，此时约重4600g，基本满足要求。然而这一直径很难持握。

图2（单位mm）
若寻找密度更大的木材，气干密度达到1g/cm³以上且可用于制作枪杆的木料又实在不多。因此，如果没有密度足够大的木料，总重、后手直径、重心三者是无法兼顾的，若要重量足够，加粗枪尾则后手难握，加粗枪尖、枪腰则重心前移，在不使用配重的情况下，始终难以制作出真正符合《手臂錄》记载的枪杆。
由于7075铝材密度约为2.8g/cm³，因此在同等重量下可以将枪杆做的细的多，使得总重、后手直径与重心得以兼顾，如下图3，若铝枪长3100cm，粗端直径4.15cm，细端直径0.88cm，理论重4920g，则可使得重心在96.1cm处：

图3（单位mm）
当然，作为枪杆不能只关注重心问题，枪杆本身的手感软硬（刚度）、强度、韧性都是需要考虑的问题，因此在下一节，我们将比较同等重量下7075与青冈木所制长枪的力学性能。

7075铝合金与青冈（椆木）力学性能比较
7xxx系高强铝合金的发展可以追溯到20世纪20年代,德国科学家SanderW和MeissnerK L发现Al-Zn-Mg合金经淬火、时效后具有很高的强度。以此为基础,发展出了后来的7000系铝合金。1943年美国开发出了可实际应用的7075合金,并第一次应用于B-29型轰炸机上（就是往广岛和长崎扔东西的那种飞机）,曾给飞机结构和性能带来了革命性变化,同时也为超高强铝合金的飞速发展奠定了基础。[1]7075因其比强度高、加工性能好以及较好的耐蚀性能被应用于航空航天、模具制造以及各类需要在减重的同时保证高强度的结构中。
7075铝合金的典型性能见下图：

图4 部分超高强度铝合金典型性能的对比[2]
7075铝材密度约2.8g/cm³，在T651的热处理状态下，屈服强度约为503Mpa（决定何时产生不能回复的弯曲），弹性模量约为72GPa，维氏硬度约170HV，这一强度比常用的TC4钛合金仅低300MPa左右，其比强度（单位质量的强度）与TC4钛合金相当，断面延伸率δ、断裂韧性KIC均可满足实际需要，尤其是其弹性模量较低，使得铝枪可以做到手感“有韧性”，可以“抖”起来，避免了金属枪棍手感太硬的缺点。
青冈（椆木）的主要性能如下图所示：

图5 青冈（椆木）的力学性能[3]
这里我们需要简单的介绍一下木材力学性能的特点，与金属材料不同，木材是典型的各向异性材料，各个方向上的力学性能大不相同。顺纹方向强度较好而横纹力学性能较差。当木材承受弯曲载荷时，凹侧受压力而突侧受拉力，由于木材顺纹抗拉强度是顺纹抗压强度的2-3倍，所以在木材完美无缺的情况下，决定木材何时会发生无法恢复的变形的是木材的顺纹抗压强度。

图6 木材承受弯曲载荷时受力方式与应力分布状况
但由于实际中的木材都会有各种各样的缺陷（例如结疤、虫眼、不顺的纹理等），这些缺陷对顺纹抗拉强度影响很大而对顺纹抗压强度影响较小，因此木材实际的顺纹抗拉能力反而比抗压能力低，这时木材往往从受拉一侧的缺陷处劈裂。

图7 从缺陷处劈裂的枪杆
青冈木气干状态下密度约0.8g/cm³，由上面的分析可知，当所用木材完美无缺时，决定枪杆何时产生无法恢复的变形的力学性能指标为木材的顺纹抗压强度，青冈木顺纹抗压强度为65.5MPa，弹性模16.6GPa，冲击韧性113.4kJ/ m²，比白蜡木手感硬，强度、冲击韧性也更高，当木材纹理顺直没有结疤时，这些性能完全可以满足使用要求，但当木料有缺陷时其力学性能会大大下降，造成了实际使用中大家往往发现这类重硬的木料比白蜡木更脆，也难以承受比较大力的弯折。
[1]王涛,尹志民:《高强变形铝合金的研究现状和发展趋势》[J]，稀有金属,2006(02):197-202.
[2]同1
[3]邬树德，李筱莉编著：《实用木材加工技术手册》[M]，合肥：安徽科学技术出版社, 2005。

两种材质所制长枪性能对比
为了比较方便，我们假设现在拥有一根没有枝丫、天生笔直、两端粗细正好、长度完全符合要求、未经一点削刨纹路完全顺直的椆木杆子，用它来和重量接近的7075-T651所制枪杆进行对比，将木材的顺纹压强度作为强度极限，对应铝材发生塑形变形的屈服强度。力学性能比较利用SOLIDWORKS软件进行，
其中铝枪通长310cm，粗端直径4.15cm，细端直径0.88cm，理论重4920g，重心在96.1cm处。

图8 模拟用7075铝枪模型
为了更好的体现木枪的实际表现，先暂时不考虑重心和后手直径问题，将枪腰和细端同时加粗。木枪通长310cm，粗端直径6.5cm，圆柱部分长64cm（二尺），细端直径2.1cm，理论重量4806g，重心在107.3cm处，可以看到此时的木枪枪身已经相当粗壮。

图9 模拟用青冈木枪模型
按照所查得的数据，为两个模型添加相应的材质后施加载荷与固定，由于拦拿常用枪头后一尺左右的范围，且此处较为细弱，因此在此处施加670N向下的力（合68.4kg重物），在距离粗端96cm（三尺）大约相当于握枪的前手位置施加固定，枪尾部也施加一个相应的向下的力，以模拟用蛮力将枪头一尺处的重物挑起的情况。
测试结果如下：

图10 铝枪应力图解

图11 木枪应力图解
对比两幅应力图解可以发现，两枪受力时的应力分布比较类似，前中部枪体表面应力最大，铝枪在上述受力情况下，发生了极大的变形，由于木枪相当粗，因此木枪变形程度较小，那么在670N的载荷下，两枪所受得力有没有超过材料的强度极限呢，我们可以使用安全系数图解来回答这个问题。

图12 铝枪安全系数图解

图13 木枪安全系数图解
两图中红色部分为超过各自材料强度极限的区域，铝枪虽然发生了极大的变形，但枪体上没有超越其屈服强度的部位，卸去载荷后仍能回弹，此时表面应力最大处约为500MPa，接近铝枪极限。
而木枪则不同，在木枪下侧受压的部分，出现了大量的红色区域，表示这些部位所受压力超过椆木顺纹抗压强度，此时木枪已经发生不能回复的弯曲变形。
若保证木枪不发生变形，需要将载荷降低到560N（合57.1kg）左右。

图14 木枪安全系数图解（560N）
由上面的模拟实验我们可以看到，即使使用完美的椆木木料，在后手直径、枪尖直径、重心等要求都略为放宽的情况下，相近重量下的木枪性能与7075铝枪仍有一定的差距。

我们可以总结一下木枪和铝枪各自的优缺点。
木枪：
1.常见木料所制木枪很难兼顾重量、重心和后手直径这三方面，吴殳的记载可能是使用了密度更大的木料，或是对后手形状进行了特别的处理以解决这个问题。

图15 任鸿（翊将军）所推测马家枪式[1]
2.完美的木料确实难遇，相信大家对此深有体会，结疤、不顺直的纹理都会大大降低木料的强度和韧性，造成木枪性能下降。
3.容易变形，木料毕竟是天然材料，温湿度的变化、不正确的摆放方式都可能使木枪发生弯曲，这种弯曲又很难调直，导致保养存放木枪成为一件很麻烦的事。
然而木枪有一个铝枪无法相媲美的优势，它符合史实，或者说“带有历史的厚重感”，这一点是其它材料无论如何也无法做到的。同时木枪可以方便的安装市面上的枪头，而铝枪的枪头则需要另外单独设计制作。在冬天里，木枪的手感也比较温和舒适。
铝枪：
1. 可以完美复制《手臂錄》所记枪杆的长度、重量与重心，同时后手直径较小，绝大多数人都可以很舒服的持握。由于铝材相对较高的密度和强度，在重量、重心位置、长度等方面仍有很大的调整空间，可以根据需要制作出更多规格。
2. 在强度和韧性两方面都具有相当大的优势，比强度高，同等重量下强度超过椆木，韧性也极佳，可弯曲的极限比椆木大得多。
3. 形状稳定性好，温湿度变化、摆放方式的不同都不会导致变形，只要加工成为直的，它就一直很直。。。。。。。。只需要在油脂、汗液脏污过多的情况下清理干净就可以了。
但正如前面所说，它毕竟是新材料，历史上未曾有人使用过。
[1]任鸿编著：《手臂录·无隐录释义：明代枪法短兵解密》[M]，太原：山西科学技术出版社，2016，第25页。

7075铝枪的实际制作与手感
不管软件的计算结果如何，铝枪的手感软硬还是要在亲手使用过后才可以感受得到，考虑到铝合金实际性能的稳定性，这次制作使用了美国铝业公司生产的进口7075-T651，T651表示在固溶和时效处理后进行了预拉伸以消除应力，保证制作完成后尺寸形状的稳定性，两根铝枪的图纸如下，一根带有配重，另一根不带配重，使用配重可以在保证重心的情况下，使得枪尖的直径更粗，强度更好，手感自然也会稍硬一些。

图16 配重铝枪图纸（单位mm）
配重铝枪通长310cm，粗端直径3cm，细端直径1.1cm，尾端配有直径2.4cm长度25cm的铅配重，实测重5039g，重心在100cm处。后部进行了滚花，为了抓起来手感更好，在尾端套上了一段热缩管。测试视频如下：
视频1《7075铝制长枪手感测试（材质:美国铝业公司进口7075-T651)》
以我个人的感受来说，比我的木枪手感要硬，当然它的重量也更重，不过从视频中可以看到，发力时枪体可以颤动，本人水平有限，相信在功力更好的人手中效果会更好。

图17 无配重铝枪图纸（单位mm）
无配重铝枪通长30cm，粗端直径38cm，圆柱长25cm，细端直径0.95cm，理论重4614g，实测重心在95cm处，效果展示如下。
视频2 《7075无配重铝枪试用（材质:美国铝业公司进口7075-T651)》
7075铝枪性能的对比与测试到这里就基本完成了，7075-T651这款铝材可以说比较好的解决了木枪常遇到的一些问题，在强度韧性等方面上的表现也比木枪更为优秀，希望能为大家在枪材的选择上提供更多的可能性，谢谢各位的耐心阅读。

视频1《7075铝制长枪手感测试（材质:美国铝业公司进口7075-T651)》
https://www.bilibili.com/video/BV1Rz4y1k7Sv
视频2 《7075无配重铝枪试用（材质:美国铝业公司进口7075-T651)》
https://www.bilibili.com/video/BV1Bt4y1Y7Yk?pop_share=1

不知道吧里有没有喜欢长杆武器的朋友

做好了吗？