這是個非常有趣的問題。我們知道,新加坡仍然保留著鞭刑,以懲治犯罪。而人類文明發展到現在,杖刑已經不存在了。那麼杖刑和鞭刑,到底哪種懲罰方式更加嚴重?實際上,杖刑之所以被廢除,就是因為其傷害更大。下面,我就從力學的角度,稍微詳細地解釋一下。
一個物體去擊打另一個物體,基本上可以用動量定理、動量矩定理,以及動能定理,這三大定理來解釋。本題中,無論是木棍還是皮鞭,都屬於兩個物體的碰撞問題。
動量定理如上圖,其中F為撞擊力,t為作用時間,m為物體質量,v為撞擊速度。本題中,動量矩定理可以忽略。此外,在相同的條件下,認為動能一樣,所以也不用考慮。從動量定理的表示式裡,可以發現,如果質量速度都一樣,那麼這個撞擊力的大小跟作用時間有關。時間越長,撞擊力越小。
木棍是一個剛性較好的結構,不容易發生變形。力學上,我們用彈性模量來衡量物體的剛性。彈性模量越大,剛性越好,越不容易發生變形。通常,金屬材料的彈性模量在200GPa左右,木材的彈性模量在10000MPa左右,相比於金屬材料,木棍已經是個較軟的材料了。儘管偏軟,木棍依然屬於普通的彈塑性材料(正交各向異性),可採用固體力學彈塑性相關的理論分析。
杖刑的過程中,由於人體的肉相對柔軟,而木棍相對較”硬“,因此在分析的時候,可以認為木棍是個剛體,忽略木棍的變形。木棍作用點的受力如上圖,這個力也正是人體受到的擊打力。
皮鞭是一種軟材料,非常容易發生變形,因此在擊打的過程中,皮鞭會由於慣性整體都會發生接觸。皮鞭大多是橡膠材料製成,其彈性模量約8MPa左右,遠小於木棍。實際上,對於橡膠材料,由於其力學行為的特殊性,普通的彈性模型已經無法用來分析了,而應採用超彈性的模型。
如上圖所示,皮鞭在擊打的過程中,首先從第一個位置開始發生接觸,隨後接觸面積逐漸擴大。因此,皮鞭的擊打力分散較大。整體上也減小了單位面積受到的力。
木棍擊打的時候,由於木棍幾乎是剛體,不發生變形,作用面積僅靠人體的肉來調整。因此,作用面積較小,單位面積受力較大。而皮鞭在擊打過程中,擊打力分散至皮鞭各處,面積較大,單位面積受力較小。因此,從這個角度來講,兩者的總力大小几乎不變,但是皮鞭力分散,感覺沒有木棍疼。
此外,皮鞭的柔性更大,在發生擊打的過程中,皮鞭擊打的過程更長,即緩衝時間更長,根據動量定理,皮鞭的撞擊力就會相對偏小。
雖然鞭刑的傷害範圍更大,但是從力度的角度來講,鞭刑所受的力要小於木棍造成的傷害。而且鞭刑的傷害主要是肉來承擔,人體骨骼基本不會發生斷裂。
這是個非常有趣的問題。我們知道,新加坡仍然保留著鞭刑,以懲治犯罪。而人類文明發展到現在,杖刑已經不存在了。那麼杖刑和鞭刑,到底哪種懲罰方式更加嚴重?實際上,杖刑之所以被廢除,就是因為其傷害更大。下面,我就從力學的角度,稍微詳細地解釋一下。
1、基本力學原理一個物體去擊打另一個物體,基本上可以用動量定理、動量矩定理,以及動能定理,這三大定理來解釋。本題中,無論是木棍還是皮鞭,都屬於兩個物體的碰撞問題。
動量定理如上圖,其中F為撞擊力,t為作用時間,m為物體質量,v為撞擊速度。本題中,動量矩定理可以忽略。此外,在相同的條件下,認為動能一樣,所以也不用考慮。從動量定理的表示式裡,可以發現,如果質量速度都一樣,那麼這個撞擊力的大小跟作用時間有關。時間越長,撞擊力越小。
2、杖刑的受力分析木棍是一個剛性較好的結構,不容易發生變形。力學上,我們用彈性模量來衡量物體的剛性。彈性模量越大,剛性越好,越不容易發生變形。通常,金屬材料的彈性模量在200GPa左右,木材的彈性模量在10000MPa左右,相比於金屬材料,木棍已經是個較軟的材料了。儘管偏軟,木棍依然屬於普通的彈塑性材料(正交各向異性),可採用固體力學彈塑性相關的理論分析。
杖刑的過程中,由於人體的肉相對柔軟,而木棍相對較”硬“,因此在分析的時候,可以認為木棍是個剛體,忽略木棍的變形。木棍作用點的受力如上圖,這個力也正是人體受到的擊打力。
3、鞭刑的受力分析皮鞭是一種軟材料,非常容易發生變形,因此在擊打的過程中,皮鞭會由於慣性整體都會發生接觸。皮鞭大多是橡膠材料製成,其彈性模量約8MPa左右,遠小於木棍。實際上,對於橡膠材料,由於其力學行為的特殊性,普通的彈性模型已經無法用來分析了,而應採用超彈性的模型。
如上圖所示,皮鞭在擊打的過程中,首先從第一個位置開始發生接觸,隨後接觸面積逐漸擴大。因此,皮鞭的擊打力分散較大。整體上也減小了單位面積受到的力。
4、兩者的比較木棍擊打的時候,由於木棍幾乎是剛體,不發生變形,作用面積僅靠人體的肉來調整。因此,作用面積較小,單位面積受力較大。而皮鞭在擊打過程中,擊打力分散至皮鞭各處,面積較大,單位面積受力較小。因此,從這個角度來講,兩者的總力大小几乎不變,但是皮鞭力分散,感覺沒有木棍疼。
此外,皮鞭的柔性更大,在發生擊打的過程中,皮鞭擊打的過程更長,即緩衝時間更長,根據動量定理,皮鞭的撞擊力就會相對偏小。
5、總結雖然鞭刑的傷害範圍更大,但是從力度的角度來講,鞭刑所受的力要小於木棍造成的傷害。而且鞭刑的傷害主要是肉來承擔,人體骨骼基本不會發生斷裂。