常用警械——警棍的物理原理分析*

孔德山

(湖北警官學院 公共基礎課部 數理化教研室，湖北 武漢430000)

1 警用裝備簡介

雖然警用裝備品類繁多，功能各異，但還沒有明確系統(tǒng)的分類，作者從具體適用環(huán)境與裝備屬性的角度，結合主流分類標準將警用裝備大致分為五大類：

1.1 警用執(zhí)法器械類

包括單警裝備、執(zhí)法記錄儀等。其中新型單警裝備已于2019 年9 月開始配發(fā)，包括五件套：多功能腰帶、催淚噴射器、伸縮警棍、強光手電以及金屬手銬。

1.2 個人防護裝備類

包括日常使用的警服，特殊環(huán)境下使用的防彈、防暴服裝護具等。

1.3 安全檢查排爆類

小到手持金屬探測器、大到金屬探測門、排爆機器人等。

1.4 交通安全管理類

包括酒精檢測儀、雷達測速儀等。

1.5 信息通訊記錄類

包括警用城市監(jiān)控系統(tǒng)、無人機等移動設備。

本文選取簡單常用的警用執(zhí)法器械進行詳細分析，以做到更具有實戰(zhàn)性和廣泛適用性。

2 當前公安工作中警用裝備使用情況

警用裝備雖種類繁多，但使用情況卻受多種因素影響。

從配發(fā)數量來看，單警裝備的數量肯定是最大的。但隨著新時代人民群眾對民警執(zhí)法公信力的要求不斷提高;司法領域對執(zhí)法程序、客觀證據的不斷重視，警務通、執(zhí)法記錄儀等可方便攜帶的通信和記錄裝置也成為各類公安工作中必不可少的部分，使用頻率極高。

在適用范圍方面，公安工作涵蓋范圍廣泛，很多警用裝備僅適用于某種特定的環(huán)境場合，發(fā)揮單一的作用。但基層所隊民警日常工作中絕大部分警情都屬于社會治安和交通管理類。在這類任務中，民警必須具備足夠的威懾力以破解現實危機和維持現場秩序。根據《中華人民共和國人民警察使用警械和武器條例》的有關規(guī)定，人民警察依法使用警械和武器的行為受到法律保護，要求是應當以制止違法犯罪行為，盡量減少人員傷亡、財產損失為原則。因此警示驅逐類、制服約束類的警械更符合相關法規(guī)要求，適用范圍更為廣泛。

再考慮設備成本，警用裝備中有集成了高新技術的排爆機器人、警用無人機，也有結構簡單的傳統(tǒng)裝備如金屬手銬、警棍。其成本差距懸殊，高成本但作用單一的裝備因為其較低的使用率并不適合廣泛配備。

除上面幾點外，便攜操作也是影響使用的決定性因素。目前民警對于警用裝備的使用掌握度不高，特殊裝備往往需要進行特別操作培訓才能正確使用。以2019 年軍運會為例，我院師生參與了此次運動會的安保工作。期間為了順利完成搜排爆工作，特別請來專業(yè)民警對師生進行了為期一個月的操作培訓，由此可見大型專業(yè)性警用設備是需要長期的學習和反復的操作才能熟練掌握并應用的。

綜上，就使用情況來說，單警裝備中警棍的使用率較高，適用范圍也廣泛，可用于攻擊、防御、威懾、破拆等，也是本文重點分析的對象。目前的警棍能起到較為有效的驅逐或約束作用，但仍然存在功能單一、穩(wěn)定性差和效果不佳等弱點。

3 伸縮警棍的原理性分析

伸縮警棍是公安民警單警基本裝備之一，是除槍械外最為有效的攻防武器，是民警手臂的合理延伸。警棍的發(fā)展經歷過三個階段：PVC 警棍、阻力式伸縮警棍和機械式伸縮警棍。相比于最早使用的警棍，目前推廣配裝的新型伸縮警棍從功能性到實用性方面都有了全面提高。早期使用的是PVC 警棍，也即常說的“橡膠警棍”，由PVC材料一體成型制成的實心警棍。后來因為其尺寸較長，攜帶不便，且功能較單一，逐漸被可伸縮的鋼制警棍所代替，這種警棍的優(yōu)點在于攜帶方便、隱蔽性強，在打擊力度上因其中空的結構會有所降低，但剛性材質的較高硬度彌補了力度的不足。這代伸縮警棍在功能上已經很接近新型伸縮警棍了，但在使用過程中其缺點也逐步顯現了出來。由于這代警棍是靠不同棍節(jié)間錐面的摩擦阻力形成鎖定，所以也被叫做“阻力棍”，阻力棍在實際使用中容易出現摩擦阻力過大導致無法甩出或回收困難等情況。阻力棍雖然功能較為完善，但穩(wěn)定性不高，使用過的民警甚至都遇到過上述情況。平時使用不便，如遇緊急情況甚至會延誤戰(zhàn)機，造成不必要的損失。最新一代的機械式伸縮警棍針對原有問題，在鎖定原理上進行了調整，在原有阻力閉鎖基礎上加入內置機械閉鎖裝置來對棍節(jié)進行鎖定，通過按鈕控制閉鎖裝置實現解鎖，并加強材料強度以保障閉鎖裝置穩(wěn)定可靠，在保留原有伸縮警棍優(yōu)勢的前提下彌補了其弱點。目前機械式伸縮警棍還在推廣中，老式的橡膠警棍和阻力棍還未被淘汰，仍被基層民警廣泛使用，所以具體效果如何還有待實踐的檢驗。

3.1 橡膠警棍與伸縮警棍攻擊性分析

警棍作為攻擊性武器其破壞力來自打擊碰撞后施加到被打擊對象上的壓力和壓強，這一過程適合用動量定理和能量轉化來分析。以伸縮警棍為例，將警棍擊打過程分為兩個階段：揮動階段和碰撞階段。

首先考慮揮動警棍的模型，民警手持警棍揮動可以近似看作以手肘為圓心，小臂加警棍總長度為半徑的圓周運動，假設正常人體小臂長度約為L=50cm，質量約為M=3kg;伸縮警棍長度約為l=50cm，質量約為m=0.5kg，按下劈姿勢沿豎直方向從上至下?lián)]動警棍時，手肘處角速度約為ω=100rad/s。計算揮動階段棍頭的線速度V=ω(L+l)，可以得到棍頭線速度約為V=100m/s。

再考慮擊打碰撞階段的模型，假設碰撞時間約為t=0.05s，碰撞后警棍運動停止。

如果按照平動模型，在棍頭速度為V 時，棍體在碰撞前所具有的動量為P=(M+m)V=350kg·m/s。根據動量定理可以計算出平均打擊力

如果按照轉動模型，將小臂和警棍作為一個整體看作繞手肘轉動的剛體，轉軸在端點處，轉動慣量為(M＋m)(L＋l)2=1.17kg·m2，根據角動量定理警棍遠端處所受平均力矩計算出端點處受力約為=2340N。

從上述模型計算中可以看出，打擊力受手臂轉動速度、警棍質量、警棍長度、碰撞時間等因素影響，實際使用警棍時的揮擊方式很多，有掃擊、下劈、戳刺等等，運動模型接近于平動和轉動的結合。從攻擊效果來看，橡膠警棍對比于伸縮警棍，當長度相同時因為實心結構，質量約為0.9kg，是伸縮警棍的兩倍，帶入上述模型中計算打擊力約增加10%。但橡膠警棍是由PVC 材料制成，與鋼鐵相比更具有彈性，因此碰撞時的接觸面積會增大，導致單位面積上的壓力減少，如作用在人體上就好像鞭子一樣。而相反伸縮警棍是由空心鋼管制成，硬度較大，碰撞不易形變，所以接觸面積很小，其作用在單位面積上的壓力更大。因而也有“橡膠警棍傷皮，伸縮警棍斷骨”的說法。所以兩種警棍的攻擊效果各有特點，不論使用哪一種，都需要根據不同警情采取適合的使用方法，才能既達到攻擊效果，又不產生過度傷害。

3.2 阻力式鎖定與機械式鎖定結構分析

下面分析一下兩類伸縮警棍在鎖定結構上的區(qū)別。由于伸縮警棍皆具有伸縮性，所以鋼管必須為中空結構，一般伸縮警棍分為三段，由三節(jié)直徑不同的鋼管組成，平時疊套收縮，長度約為20cm，使用時兩節(jié)伸出，總長度約為50cm。正常使用警棍，伸長后需保持長度，不至于在使用時回縮。下面就以阻力式鎖定與機械式鎖定兩種伸縮警棍為例做簡單的原理分析。

阻力式鎖定，原理在于將可伸縮的兩節(jié)尾端做成錐形，直徑的變化使其越往外伸長與外圈鋼管擠壓就越緊，在摩擦因數一定的情況下摩擦力與正壓力成正比，使其牢牢卡住不易回縮。另外大多數使用方式都是以手肘為圓心做揮擊動作，阻力棍用實心鋼球頭作為棍頭，有兩種作用：一是改變棍體的質量分布進而改變轉動慣量，使棍頭處具有更高的動量和動能，打擊時產生更強的力;二是利用揮動警棍這一類似圓周運動的作用，在遠端球頭處產生更大的沿棍體方向的離心力，使棍體有向外繼續(xù)伸長的趨勢，進而增大節(jié)段間的擠壓力，做到鎖定棍體。

阻力棍從原理到結構都比較簡單，但也存在不少缺陷：(1)鎖定效果與收回的矛盾，從原理上來看，阻力鎖定效果越好，摩擦力越大，收回時就越困難。因此阻力棍唯一的收回方式就是用球頭在堅硬平面上垂直敲擊，使棍體收回，實際操作起來十分費力，甚至反復多次敲擊才能成功收回。(2)為了使阻力棍出棍后能成功鎖定，必須用力甩出，這種單一的出棍方式使得在某些特定場合比如電梯內、汽車內或狹小擁擠的空間內出棍變得非常困難。(3)阻力鎖定這一原理也使其無法使用戳、刺這類攻擊動作。(4)隨著磨損老化，阻力會變大，導致阻力變大的原因可能是棍節(jié)磨損銹蝕使棍節(jié)直徑變化，也可能是打擊的切向力導致棍節(jié)略微彎曲變形，還可能是節(jié)段間混入沙石等細小顆粒使表面光滑度變化，甚至熱脹冷縮也會改變棍節(jié)直徑。

機械式鎖定，目前市面上機械式鎖定方式很多，較為主流的有凸輪式與鼓碟式兩種。根據2018 年發(fā)布的《中華人民共和國公共安全行業(yè)標準GA 886-2018 公安單警裝備-伸縮警棍》要求，新配發(fā)的伸縮警棍為鼓碟鎖定式結構。

如圖1 所示，標號1-4、7-10 分別是兩個棍節(jié)的限位圈和阻尼圈，主要鎖定結構為標號5、6、11 這幾處的金屬鼓碟。鼓碟由兩個半圓環(huán)組成，其間有彈性結構，環(huán)中間為孔洞，可以穿過解鎖桿。鎖定時解鎖桿未插進鼓碟環(huán)，鼓碟由于彈性結構作用撐開，卡住外壁凹槽處使其鎖定。解鎖時通過按壓解鎖按鈕，使解鎖桿插入鼓碟環(huán)致其收攏，不再卡住外壁進而能自由伸縮。機械式鎖定結構的優(yōu)勢就在于開棍和收棍都相對簡單，只要開棍到位就能自動卡住，按壓解鎖按鈕就能輕松收回。可以在狹小空間用手拉出的方式開棍，也可以使用戳、刺這類攻擊動作，較好地彌補了阻力棍的缺陷。

圖1 伸縮警棍內部主要結構示意圖

但由于其結構相比于阻力棍來說更為復雜，零部件也更多，所以對制作材料、工藝水平等的要求就更高。彈性結構和鼓碟這樣的細小零部件是否在高強度的反復打擊后仍能保持功能完好，是否會因為磨損導致銹蝕，我相信這些問題都會隨著新工藝新材料的應用得到很好解決。

對于警棍這一常用警械，可以說是世界各國警察的傳統(tǒng)裝備，其歷史悠久，今后也會不斷發(fā)展完善，在保持便攜性與穩(wěn)定性的同時，逐漸集成新的功能，比如電擊功能、照明功能、繩索功能等。隨著警用裝備的不斷更新，高新技術的不斷融入，未來的公安民警將會更有作為，公安工作將更能發(fā)揮出維護治安、懲治犯罪的作用。