พลศาสตร์ของศาสตราวุธ

ศัสตราวุธหรืออาวุธที่ใช้ฟัน-แทง เช่น มีด ดาบ หอก พลอง ขวาน มีวิวัฒนาการมายาวนาน พอๆกับประวัติศาสตร์ของมนุษยชาติ ถึงแม้ว่าทุกวันนี้เราจะไม่ได้สู้รบ ป้องกันตัวโดยใช้อาวุธเหล่านี้เป็นหลัก แต่ก็ยังมีปรากฏให้เห็นอยู่ ทั้งในรูปแบบเชิงขนบธรรมเนียม การกีฬา การแสดง หรือการใช้ในลักษณะเครื่องมือดำรงชีพ แต่อย่างไรก็ดีอาวุธเหล่านี้ได้รับการพัฒนาขึ้นจากการใช้งาน การลองผิดลองถูก มาตลอด ถึงแม้ว่าในประวัติศาสตร์จะมีการบันทึกรูปร่าง ลักษณะ สัดส่วน วัสดุ ของอาวุธเอาไว้ ตลอดจนการพัฒนาทางด้านวัสดุศาสตร์ของอาวุธที่ทำให้เรามองเห็นไปจนถึงระดับ อะตอม แต่แทบจะกล่าวได้ว่าเรามีความเข้าใจเชิงทฤษฎีสำหรับอธิบายพลศาสตร์ของอาวุธ น้อยมาก ดังจะเห็นได้ว่า อาวุธที่ผลิตขึ้นในยุคหลัง โดยทำขึ้นเพื่อใช้สำหรับการแสดง การกีฬา หรือ สืบขนบประเพณี ความเชื่อ จะมีสัดส่วนที่แตกต่างไปจากอาวุธที่ใช้ในการสงครามจริงๆ ซึ่งมีผลทำให้การหยิบ การจับ การเคลื่อนไหว การควบคุม ตลอดไปจนถึงวิชาอาวุธเปลี่ยนแปลงไป

1 สมบัติทางพลศาสตร์ของอาวุธ
คือ สมบัติต่างๆที่มีผลกับลักษณะการส่งถ่ายแรง การเคลื่อนที่ของอาวุธ ทั้งการเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง การเคลื่อนที่เป็นวงกลม รวมไปถึงการเคลื่อนที่เมื่อมีการกระทบกับวัตถุอื่น

1.1 ความยาว ศาสตราวุธเป็นเครื่องมือที่ใช้เพิ่มระยะต่อไปจากมือ.ดังนั้นจึงมีความยาว โดยทั่วไปเราจะวัดความยาวของอาวุธจากส่วนปลายข้างหนึ่ง ไปจนถึงปลายอีกข้างหนึ่ง เรียกว่าความยาวรวม (Total Length) นอกจากนี้ในรายละเอียดยังมีการวัดความยาวด้ามและความยาวใบอีกด้วย

1.2 มวล (หรือถ้าเรียกเป็นภาษาที่เข้าใจง่ายๆก็คือน้ำหนัก) คือสมบัติที่ต่อต้านการเคลื่อนที่ในแนวเส้นตรง ตัวอย่างเช่นในการขว้างลูกเหล็กกับลูกบอลไม้ให้ได้ความเร็วเท่ากัน การขว้างลูกเหล็กจะต้องใช้แรงมากกว่า ดังนั้นการควบคุมอาวุธที่มีมวล(น้ำหนัก)มากกว่า จะต้องออกแรงมากกว่า น้ำหนักอาวุธมีผลต่อทั้งการพกพาและลักษณะการใช้งาน

1.3 จุดศูนย์ถ่วง (Center of Gravity) จุดศูนย์กลางมวล (Center of Mass, COM) หรือจุดสมดุลย์ (Point of Balance, POB) เป็นจุดที่อยู่ตรงศูนย์กลางของกลุ่มมวลที่ประกอบขึ้นมาเป็นชิ้นอาวุธ จุดศูนย์ถ่วงไม่จำเป็นที่จะต้องอยู่ตรงกึ่งกลางความยาวของชิ้นอาวุธเสมอไป เช่นจุดศูนย์ถ่วงของขวาน จะอยู่ค่อนไปทางหัวขวานมากกว่า นอกจากนี้จุดศูนย์ถ่วงของอาวุธอาจจะอยู่ในบริเวณที่เป็นเนื้อวัสดุ เช่นจุดศูนย์ถ่วงของพลองที่อยู่ตรงกึ่งกลาง หรืออาจจะอยู่ในบริเวณนอกเนื้อวัสดุเช่นจุดศูนย์ถ่วงของดาบโค้งที่อยู่ เยื้องออกไปเหนือสันดาบ

จุด ศูนย์ถ่วงของอาวุธมีผลต่อความรู้สึกว่าอาวุธนั้นๆ “หนัก” หรือ “เบา” เมื่อถืออาวุธในแนวนอนโดยจับในบริเวณที่อยู่นอกจุดศูนย์ถ่วง จะต้องออกแรงบิดในปริมาณที่สัมพันธ์กับน้ำหนักและระยะทางจากจุดศูนย์ถ่วง ตามหลักคานดีดคานงัดยิ่งระยะจากจุดศูนย์ถ่วง ห่างออกจากจุดที่จับมากเท่าไหร่ ก็จะต้องออกแรงบิดมากขึ้น ดังนั้น หากถืออาวุธที่มีน้ำหนักมาก แต่จุดศูนย์ถ่วงอยู่ใกล้กับจุดที่จับถือ อาจจะรู้สึกเบากว่าการถืออาวุธที่มีน้ำหนักเบา แต่จุดศูนย์ถ่วงอยู่ห่างจากจุดที่จับถือก็เป็นได้

1.4 โมเมนต์ความเฉื่อย (Moment of Inertia, MOI) เป็นสมบัติที่คล้ายกับมวล แต่เป็นสมบัติที่ต่อต้านการเคลื่อนที่เชิงมุมในลักษณะการหมุน ควง โดยจะสัมพันธ์กับทั้งมวล และรูปร่างของวัตถุ ยกตัวอย่างเช่นการหมุนวงล้อที่มีน้ำหนักเท่ากัน วงล้อขนาดใหญ่ จะหมุนได้ยากกว่าวงล้อขนาดเล็ก หรือกระดานไม้ที่มีลักษณะแคบยาว ก็จะหมุนได้ยากกว่ากระดานไม้ที่หนักเท่ากัน แต่กว้างและสั้นกว่า
1.4.1 โมเมนต์ความเฉื่อยรอบตัวเอง เป็นสมบัติที่ขึ้นกับรูปร่างและน้ำหนักของวัสดุ ซึ่งจะขึ้นกับผลรวมของเนื้อมวลส่วนย่อยและระยะห่างจากจุดศูนย์ถ่วงของเนื้อ มวลนั้นๆ อาจเขียนเป็นสมการทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้
I = SUM(mx^2)
โดยให้ m เป็นมวลย่อยในแต่ละจุด
และ x เป็นระยะห่างของมวลย่อยนั้นจากจุดศูนย์ถ่วง
จาก สมการข้างต้นจะสังเกตได้ว่า ถึงแม้อาวุธจะมีน้ำหนักเท่ากัน แต่ถ้าเลื่อนชิ้นมวลย่อยให้ออกห่างจากจุดศูนย์ถ่วงออกไป 2 เท่า ก็จะทำให้โมเมนต์ความเฉื่อยของอาวุธชิ้นนั้นเพิ่มขึ้นอีกเป็นทวีคูณ (4 เท่า) ของชิ้นมวลย่อยนั้นๆ

1.4.2 โมเมนต์ความเฉื่อยรอบจุดใดๆ เป็นค่าที่เกิดจากการหมุนอาวุธรอบแกนใดๆที่ไม่ใช่จุดศูนย์ถ่วงของอาวุธ เช่นการฟันโดยให้ข้อมือหรือข้อศอกเป็นจุดหมุนเป็นต้น ค่าโมเมนต์ความเฉื่อยรอบแกนหมุนจะแปรผันตามค่าโมเมนต์ความเฉื่อยรอบตัวเอง รวมกับผลคูณของมวลและระยะทางจากจุดหมุนถึงจุดศูนย์ถ่วง สามารถเขียนเป็นสมการคณิตศาสตร์ได้ดังนี้
Ix = ICOM + mx^2
โดยให้ Ix เป็นโมเมนต์ความเฉื่อยรอบแกนใดๆ ระยะห่าง x จากจุดศูนย์กลางมวล
ICOM เป็นค่าโมเมนต์ความเฉื่อยรอบตัวเองของอาวุธและ m เป็นมวลของอาวุธ
จากสมการข้างต้นจะสังเกตได้ว่า แรงที่ต้องใช้ในการกวัดแกว่งอาวุธใดๆจะขึ้นอยู่กับโมเมนต์ความเฉื่อยรอบตัวเอง ICOM ของอาวุธนั้นๆ
หาก เปรียบเทียบระหว่างอาวุธที่มีน้ำหนักน้อย แต่โมเมนต์ความเฉื่อยสูงเช่นง้าว กับอาวุธที่น้ำหนักมาก แต่โมเมนต์ความเฉื่อยต่ำเช่นดาบ อาวุธที่มีค่าโมเมนต์ความเฉื่อยต่ำกว่า จะกวัดแกว่งได้รวดเร็ว แคล่วคล่อง พลิกแพลงได้ดีกว่าอาวุธที่มีโมเมนต์ความเฉื่อยสูง

จากสมการ Ix = ICOM + mx^2 จะสังเกตได้ว่า อาวุธที่มีค่า x (ระยะจากจุดศูนย์ถ่วงมาถึงจุดหมุน) มากเท่าไหร่ ก็จะยิ่งทำให้ ค่าโมเมนต์ความเฉื่อยมากขึ้นเป็นทวีคูณ ดังนั้นอาวุธที่จุดศูนย์ถ่วงห่างจากจุดหมุนมากเท่าไหร่ ก็จะต้องใช้แรงมากและรู้สึกหนักเมื่อใช้งานในลักษณะหมุน ควง

นอกจาก นี้ ลักษณะการใช้งานอาวุธที่ต้องการความคล่องแคล่วสูง เช่นการปัดป้อง มักจะมีจุดหมุนหรือพลิกอาวุธในบริเวณใกล้กับจุดศูนย์ถ่วง เช่นการควงพลองหรือง้าวโดยใช้กึ่งกลางพลองเป็นจุดหมุน หรือการพลิกดาบโดยใช้จุดหมุนใกล้กับจุดศูนย์ถ่วงเป็นต้น ดังนั้นการใช้อุปกรณ์ที่มีจุดศูนย์ถ่วงคลาดเคลื่อนไปมากในการฝึกซ้อม อาจส่งผลต่อลักษณะวิชาการใช้อาวุธได้

1.5 จุดกระทบ (Point of Percussion) เมื่อแรงกระทำต่อวัตถุไม่ได้ผ่านจุดศูนย์กลางมวลพอดี จะทำให้วัตถุหมุนรอบจุดหมุน (Pivot Point)
เมื่อ วัตถุเป้าหมายกระทบกับอาวุธ ณ ตำแหน่งใดๆที่ไม่ใช่จุดศูนย์ถ่วงแล้ว นอกจากจะทำให้อาวุธหมุนรอบวัตถุเป้าหมายเกิดเป็นแกนหมุนแกนหนึ่งแล้ว ยังทำให้เกิดการหมุนรอบแกนสัมพัทธ์อีกแกนหนึ่งเสมอ ซึ่งจะเกิดขึ้นในด้านตรงกันข้ามกัน โดยมีจุดศูนย์ถ่วงอยู่ระหว่างแกนหมุนทั้งสองแกน
ความสัมพันธ์ระหว่างแกนหมุนทั้งสองสามารถอธิบายได้ด้วยสมการทางคณิตศาสตร์ดังนี้
x2 = ICOM/(mx1)

หาก แกนหมุนสัมพัทธ์ที่เกิดขึ้นอยู่ในตำแหน่งที่จับยึดอาวุธ มือจะไม่ได้รับแรงสะบัดจากการหมุนที่เกิดขึ้น ทำให้ไม่สะท้านมือ และสามารถใช้อาวุธได้อย่างต่อเนื่องไม่มีสะดุด ไม่ว่าจะใช้ออกไปโดนเป้าหมายหรือไม่ จุดบนอาวุธที่หมุนสัมพัทธ์กับจุดที่มือจับนั้นเรียกว่าจุดกระทบ (Point of Percussion) ที่เหมาะสมสำหรับอาวุธชิ้นนั้นๆ

หาก ตำแหน่งที่กระทบกับวัตถุเป้าหมายคลาดเคลื่อนไปจากจุดกระทบที่เหมาะสม เช่นการใช้อาวุธด้วยลักษณะที่คลาดเคลื่อนไปจากวิชาอาวุธชนิดนั้นๆ จะทำให้เกิดแกนหมุนสัมพัทธ์ห่างออกไปจากจุดที่จับถือ ซึ่งนอกจากจะทำให้สะท้านมือแล้ว ยังทำให้แนวการเคลื่อนที่ของมือเปลี่ยนไปหลังจากอาวุธกระทบกับวัตถุ และทำให้การออกอาวุธไม่ราบลื่นต่อเนื่อง

และ ในทางกลับกัน หากอาวุธถูกออกแบบมาไม่เหมาะสม มีจุดกระทบที่คลาดเคลื่อนไปจากลักษณะการใช้อาวุธที่เหมาะสม ก็จะทำให้รู้สึกสะท้านมือได้เช่นกัน ดังนั้นลักษณะสัดส่วนอาวุธ และลักษณะวิชาประกอบอาวุธ จึงมีวิวัฒนาการไปควบคู่กัน การใช้อาวุธที่มีลักษณะสัดส่วนคลาดเคลื่อนแตกต่างออกไปจากเดิม ก็มีส่วนทำให้วิชาการใช้อาวุธคลาดเคลื่อนเปลี่ยนแปลงไปจากเดิมได้เช่นกัน

2 การหาค่าสมบัติทางพลศาสตร์
เมื่อ ทราบความสำคัญของสมบัติต่างๆที่มีผลต่อลักษณะการใช้งานอาวุธ ก็ควรที่จะต้องทราบวิธีวัดค่าสมบัติต่างๆด้วย เพื่อให้สามารถเปรียบเทียบ จัดหมวดหมู ่และจดบันทึกได้
มวลและความยาวของอาวุธ สามารถวัดได้ด้วยอุปกรณ์พื้นฐานเช่นเครื่องชั่งและอุปกรณ์วัดความยาวเช่นสายวัดหรือไม้เมตร

การ หาจุดศูนย์ถ่วง อาจทำได้โดยหาแนวจุดศูนย์ถ่วงอย่างง่ายโดยการวางอาวุธในแนวนอนเพื่อหาจุดสม ดุลย์ เช่นการวางบนปลายนิ้ว วิธีการนี้จะทำให้สามารถประเมินศูนย์ถ่วงคร่าวๆได้อย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ดี การศึกษาสมบัติอื่นๆจำเป็นต้องหาจุดศูนย์ถ่วงอย่างแม่นยำ ซึ่งอาจต้องใช้วิธีที่ซับซ้อนขึ้น เช่นการแขวนกับเส้นด้ายแล้วหาจุดศูนย์ถ่วงจากตำแหน่งที่เกิดจากการตัดกันของ แนวศูนย์ถ่วงมากกว่าหนึ่งแนว

เมื่อทราบจุดศูนย์ถ่วงที่แน่นอนแล้วก็สามารถนำผลที่ได้มาคำนวณสามารถหาค่าโมเมนต์ความเฉื่อยได้ดังนี้
และจากสมการ x2 = ICOM/(mx1) สามารถเขียนใหม่ได้เป็น
x2 x1 = ICOM/m
ซึ่ง หมายความว่าผลคูณของระยะระหว่างจุดหมุนจุดกระทบและจุดที่จับถือ จะเท่ากับค่าคงตัวที่ขึ้นอยู่กับโมเมนต์ความเฉื่อยและน้ำหนักของอาวุธเสมอ และดังนั้นเมื่อทราบค่า ICOM/m ก็ทำให้คำนวณหาจุดหมุนหรือจุดกระทบที่เหมาะสมกับตำแหน่งการจับถือบนอาวุธแต่ ละชิ้นได้

3 แนวจุดศูนย์ถ่วงและองศาด้าม
ลักษณะการวางองศาด้ามและใบ ของอาวุธที่มีคมด้านเดียวและมีความโค้งช่วยเพิ่มเสถียรภาพเมื่ออาวุธมีการ เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง เช่นออกแรงการหมุน ควง สะบัดอาวุธ รวมทั้งจากการที่อาวุธปะทะกับวัตถุเป้าหมาย
โดยธรรมชาติแล้ว เมื่อออกแรงบิดเพื่อเพิ่มความเร็วให้กับอาวุธ จะเกิดแรงเฉื่อยที่เกิดจากมวลของอาวุธพยายามฉุดให้อาวุธรักษาสภาพนิ่ง ทิศทางของแรงเฉื่อยจะอยู่ในทิศทางตรงข้ามกับแรงบิดบนอาวุธเสมอ โดยแรงเฉื่อยลัพธ์จะเกิดบนจุดศูนย์ถ่วงของอาวุธ ดังนั้นหากจุดที่เกิดแรงเฉื่อยอยู่หลังแนวด้ามผู้ใช้อาวุธก็จะรู้สึกเสมือน กับว่าอาวุธถูกฉุดรั้งจากด้านสัน ทำให้แนวคมของอาวุธพลิกไปในทิศทางเดียวกับแรงบิดที่กระทำบนด้าม
ใน ทางกลับกัน เมื่ออาวุธมีการปะทะกับวัตถุเป้าหมาย อาวุธจะลดความเร็วลง ทำให้เกิดแรงเฉื่อยที่เกิดจากมวลของอาวุธพยายามฉุดให้อาวุธรักษาสภาพการ เคลื่อนที่ต่อไปโดยที่ทิศทางของแรงเฉื่อยจะอยู่ในทิศทางที่ตรงข้ามกับแรง ปะทะ หากอาวุธมีส่วนโค้งมากจุดปะทะจะอยู่ในแนวที่สูงกว่าจุดศูนย์ถ่วง ทำให้แรงเฉื่อยที่เกิดขึ้นทำให้แนวคมของอาวุธอยู่ในทิศทางตรงข้ามกับแรงปะทะ เสมอ และช่วยรักษาแนวคมไม่ให้พลิกหรือแฉลบ

ข้อมูลบางส่วนอ้างอิงจาก
Dynamics of Hand-Held Impact Weapons โดย George L Turner