常用警械——警棍的物理原理分析*

2021-08-30孔德山

科技创新与应用 2021年23期

关键词：机械式警用阻力

孔德山

(湖北警官学院公共基础课部数理化教研室，湖北武汉430000)

1 警用装备简介

虽然警用装备品类繁多，功能各异，但还没有明确系统的分类，作者从具体适用环境与装备属性的角度，结合主流分类标准将警用装备大致分为五大类：

1.1 警用执法器械类

包括单警装备、执法记录仪等。其中新型单警装备已于2019 年9 月开始配发，包括五件套：多功能腰带、催泪喷射器、伸缩警棍、强光手电以及金属手铐。

1.2 个人防护装备类

包括日常使用的警服，特殊环境下使用的防弹、防暴服装护具等。

1.3 安全检查排爆类

小到手持金属探测器、大到金属探测门、排爆机器人等。

1.4 交通安全管理类

包括酒精检测仪、雷达测速仪等。

1.5 信息通讯记录类

包括警用城市监控系统、无人机等移动设备。

本文选取简单常用的警用执法器械进行详细分析，以做到更具有实战性和广泛适用性。

2 当前公安工作中警用装备使用情况

警用装备虽种类繁多，但使用情况却受多种因素影响。

从配发数量来看，单警装备的数量肯定是最大的。但随着新时代人民群众对民警执法公信力的要求不断提高;司法领域对执法程序、客观证据的不断重视，警务通、执法记录仪等可方便携带的通信和记录装置也成为各类公安工作中必不可少的部分，使用频率极高。

在适用范围方面，公安工作涵盖范围广泛，很多警用装备仅适用于某种特定的环境场合，发挥单一的作用。但基层所队民警日常工作中绝大部分警情都属于社会治安和交通管理类。在这类任务中，民警必须具备足够的威慑力以破解现实危机和维持现场秩序。根据《中华人民共和国人民警察使用警械和武器条例》的有关规定，人民警察依法使用警械和武器的行为受到法律保护，要求是应当以制止违法犯罪行为，尽量减少人员伤亡、财产损失为原则。因此警示驱逐类、制服约束类的警械更符合相关法规要求，适用范围更为广泛。

再考虑设备成本，警用装备中有集成了高新技术的排爆机器人、警用无人机，也有结构简单的传统装备如金属手铐、警棍。其成本差距悬殊，高成本但作用单一的装备因为其较低的使用率并不适合广泛配备。

除上面几点外，便携操作也是影响使用的决定性因素。目前民警对于警用装备的使用掌握度不高，特殊装备往往需要进行特别操作培训才能正确使用。以2019 年军运会为例，我院师生参与了此次运动会的安保工作。期间为了顺利完成搜排爆工作，特别请来专业民警对师生进行了为期一个月的操作培训，由此可见大型专业性警用设备是需要长期的学习和反复的操作才能熟练掌握并应用的。

综上，就使用情况来说，单警装备中警棍的使用率较高，适用范围也广泛，可用于攻击、防御、威慑、破拆等，也是本文重点分析的对象。目前的警棍能起到较为有效的驱逐或约束作用，但仍然存在功能单一、稳定性差和效果不佳等弱点。

3 伸缩警棍的原理性分析

伸缩警棍是公安民警单警基本装备之一，是除枪械外最为有效的攻防武器，是民警手臂的合理延伸。警棍的发展经历过三个阶段：PVC 警棍、阻力式伸缩警棍和机械式伸缩警棍。相比于最早使用的警棍，目前推广配装的新型伸缩警棍从功能性到实用性方面都有了全面提高。早期使用的是PVC 警棍，也即常说的“橡胶警棍”，由PVC材料一体成型制成的实心警棍。后来因为其尺寸较长，携带不便，且功能较单一，逐渐被可伸缩的钢制警棍所代替，这种警棍的优点在于携带方便、隐蔽性强，在打击力度上因其中空的结构会有所降低，但刚性材质的较高硬度弥补了力度的不足。这代伸缩警棍在功能上已经很接近新型伸缩警棍了，但在使用过程中其缺点也逐步显现了出来。由于这代警棍是靠不同棍节间锥面的摩擦阻力形成锁定，所以也被叫做“阻力棍”，阻力棍在实际使用中容易出现摩擦阻力过大导致无法甩出或回收困难等情况。阻力棍虽然功能较为完善，但稳定性不高，使用过的民警甚至都遇到过上述情况。平时使用不便，如遇紧急情况甚至会延误战机，造成不必要的损失。最新一代的机械式伸缩警棍针对原有问题，在锁定原理上进行了调整，在原有阻力闭锁基础上加入内置机械闭锁装置来对棍节进行锁定，通过按钮控制闭锁装置实现解锁，并加强材料强度以保障闭锁装置稳定可靠，在保留原有伸缩警棍优势的前提下弥补了其弱点。目前机械式伸缩警棍还在推广中，老式的橡胶警棍和阻力棍还未被淘汰，仍被基层民警广泛使用，所以具体效果如何还有待实践的检验。

3.1 橡胶警棍与伸缩警棍攻击性分析

警棍作为攻击性武器其破坏力来自打击碰撞后施加到被打击对象上的压力和压强，这一过程适合用动量定理和能量转化来分析。以伸缩警棍为例，将警棍击打过程分为两个阶段：挥动阶段和碰撞阶段。

首先考虑挥动警棍的模型，民警手持警棍挥动可以近似看作以手肘为圆心，小臂加警棍总长度为半径的圆周运动，假设正常人体小臂长度约为L=50cm，质量约为M=3kg;伸缩警棍长度约为l=50cm，质量约为m=0.5kg，按下劈姿势沿竖直方向从上至下挥动警棍时，手肘处角速度约为ω=100rad/s。计算挥动阶段棍头的线速度V=ω(L+l)，可以得到棍头线速度约为V=100m/s。

再考虑击打碰撞阶段的模型，假设碰撞时间约为t=0.05s，碰撞后警棍运动停止。

如果按照平动模型，在棍头速度为V 时，棍体在碰撞前所具有的动量为P=(M+m)V=350kg·m/s。根据动量定理可以计算出平均打击力

如果按照转动模型，将小臂和警棍作为一个整体看作绕手肘转动的刚体，转轴在端点处，转动惯量为(M＋m)(L＋l)2=1.17kg·m2，根据角动量定理警棍远端处所受平均力矩计算出端点处受力约为=2340N。

从上述模型计算中可以看出，打击力受手臂转动速度、警棍质量、警棍长度、碰撞时间等因素影响，实际使用警棍时的挥击方式很多，有扫击、下劈、戳刺等等，运动模型接近于平动和转动的结合。从攻击效果来看，橡胶警棍对比于伸缩警棍，当长度相同时因为实心结构，质量约为0.9kg，是伸缩警棍的两倍，带入上述模型中计算打击力约增加10%。但橡胶警棍是由PVC 材料制成，与钢铁相比更具有弹性，因此碰撞时的接触面积会增大，导致单位面积上的压力减少，如作用在人体上就好像鞭子一样。而相反伸缩警棍是由空心钢管制成，硬度较大，碰撞不易形变，所以接触面积很小，其作用在单位面积上的压力更大。因而也有“橡胶警棍伤皮，伸缩警棍断骨”的说法。所以两种警棍的攻击效果各有特点，不论使用哪一种，都需要根据不同警情采取适合的使用方法，才能既达到攻击效果，又不产生过度伤害。

3.2 阻力式锁定与机械式锁定结构分析

下面分析一下两类伸缩警棍在锁定结构上的区别。由于伸缩警棍皆具有伸缩性，所以钢管必须为中空结构，一般伸缩警棍分为三段，由三节直径不同的钢管组成，平时叠套收缩，长度约为20cm，使用时两节伸出，总长度约为50cm。正常使用警棍，伸长后需保持长度，不至于在使用时回缩。下面就以阻力式锁定与机械式锁定两种伸缩警棍为例做简单的原理分析。

阻力式锁定，原理在于将可伸缩的两节尾端做成锥形，直径的变化使其越往外伸长与外圈钢管挤压就越紧，在摩擦因数一定的情况下摩擦力与正压力成正比，使其牢牢卡住不易回缩。另外大多数使用方式都是以手肘为圆心做挥击动作，阻力棍用实心钢球头作为棍头，有两种作用：一是改变棍体的质量分布进而改变转动惯量，使棍头处具有更高的动量和动能，打击时产生更强的力;二是利用挥动警棍这一类似圆周运动的作用，在远端球头处产生更大的沿棍体方向的离心力，使棍体有向外继续伸长的趋势，进而增大节段间的挤压力，做到锁定棍体。

阻力棍从原理到结构都比较简单，但也存在不少缺陷：(1)锁定效果与收回的矛盾，从原理上来看，阻力锁定效果越好，摩擦力越大，收回时就越困难。因此阻力棍唯一的收回方式就是用球头在坚硬平面上垂直敲击，使棍体收回，实际操作起来十分费力，甚至反复多次敲击才能成功收回。(2)为了使阻力棍出棍后能成功锁定，必须用力甩出，这种单一的出棍方式使得在某些特定场合比如电梯内、汽车内或狭小拥挤的空间内出棍变得非常困难。(3)阻力锁定这一原理也使其无法使用戳、刺这类攻击动作。(4)随着磨损老化，阻力会变大，导致阻力变大的原因可能是棍节磨损锈蚀使棍节直径变化，也可能是打击的切向力导致棍节略微弯曲变形，还可能是节段间混入沙石等细小颗粒使表面光滑度变化，甚至热胀冷缩也会改变棍节直径。

机械式锁定，目前市面上机械式锁定方式很多，较为主流的有凸轮式与鼓碟式两种。根据2018 年发布的《中华人民共和国公共安全行业标准GA 886-2018 公安单警装备-伸缩警棍》要求，新配发的伸缩警棍为鼓碟锁定式结构。

如图1 所示，标号1-4、7-10 分别是两个棍节的限位圈和阻尼圈，主要锁定结构为标号5、6、11 这几处的金属鼓碟。鼓碟由两个半圆环组成，其间有弹性结构，环中间为孔洞，可以穿过解锁杆。锁定时解锁杆未插进鼓碟环，鼓碟由于弹性结构作用撑开，卡住外壁凹槽处使其锁定。解锁时通过按压解锁按钮，使解锁杆插入鼓碟环致其收拢，不再卡住外壁进而能自由伸缩。机械式锁定结构的优势就在于开棍和收棍都相对简单，只要开棍到位就能自动卡住，按压解锁按钮就能轻松收回。可以在狭小空间用手拉出的方式开棍，也可以使用戳、刺这类攻击动作，较好地弥补了阻力棍的缺陷。