测试与重新评估投石器飞镖的弹道特性：对其关于社会组织与变迁的最新理论的影响

飞镖枪动能受 dart 重量与使用者体能显著影响，经多变量分析发现： heavier darts 导致 lower 速度但 higher 动能（ KE），但个体差异明显——部分力量强者可高效使用 heavy darts 攻击大型猎物，而多数人更适合 light darts 应对中小型猎物；训练经验影响较小，新手亦可实现高速投掷。该研究揭示工具效能与形态、体能的复杂互动，挑战了考古中技术同质化假设，为理解武器社会功能与生物力学关系提供实证基础。

德文·B·佩蒂格鲁 | 约翰·C·惠特克 | 艾琳·Y·朱

美国德克萨斯州阿尔派恩市，90号州道114号弗格森，苏尔罗斯州立大学行为与社会科学系，邮编79832

摘要

投石器和飞镖在形式、使用方式、使用者体型以及性能方面存在显著差异。考古学家在探讨武器技术的进步、武器变化的社会影响以及形成考古记录的过程时，往往忽视了这些差异。然而，这种对技术的“刻板化”理解是有代价的。本文利用大型数据集通过多元统计方法分析了投石器和飞镖投掷过程中多个变量之间的相互作用。研究结果表明，较重的飞镖虽然速度较低，但动能显著更高；同时，不同投掷者的动能表现也存在明显差异——更多人能够有效使用较轻的飞镖，这些飞镖对小型到中型猎物有效；而技术最娴熟的投掷者则能用较重的飞镖达到最高的动能，显然对大型猎物更有效。投掷者的经验相比整体力量而言作用较小，一些新手在少量练习后也能实现较高的投掷速度。武器和使用者之间的差异使得一些关于社会变迁和武器功能的最新观点变得复杂化。未来相关研究应侧重于通过建模投石器投掷的生物力学机制，并测试更多样化的使用者和设备组合。

引言

与许多工具一样，投石器和飞镖也有多种形式，这些形式受到个人和文化偏好、制造方法、材料可用性以及具体使用目的的影响。这些因素决定了武器及相关材料在考古记录中的呈现方式，以及人们如何利用这些技术来适应环境或进行社会组织。要理解狩猎和战斗武器的考古学特征，就需要评估某一特定技术内部的变异性。本文重点关注投石器飞镖的投掷速度及其相关的弹道性能指标（如动能），以及影响投石器飞镖系统的各种人类因素和设备因素。

从旧石器时代至今，世界各地的文化都使用投石器进行战争和狩猎，猎物范围从猛犸象到兔子不等。这种广泛的应用时间跨度和技术多样性体现在投石器本身的多种形态上（图1），同时也体现在飞镖的设计、材料、尺寸和质量的巨大差异中（Cattelain, 1997; Cundy, 1989; Krause, 1905; LaRue, 2010; Palter, 1977; Stodiek, 1993; Uhle, 1909; Whittaker, 2010）。从广义上讲，投石器延长了使用者手臂的投掷距离，手腕的转动为飞镖提供了最终的速度（Cundy, 1989; Whittaker, 2016）。更具体地说，投石器是投掷“动力链”中的一个环节，能量和动量依次从下肢传递到躯干、肱骨、前臂和手部（Atwater, 1979; Putnam, 1993; Weber et al., 2014; 图2）。然而，现代运动科学也面临着即使是经过高度训练的运动员在执行重复性任务时，其动作也存在个体间和个体内的差异（Davids et al., 2003）。这种差异决定了每次投掷时肌肉骨骼的具体排列方式和各环节的参与程度（van den Tillaar and Ettema, 2004; Weber et al., 2014）。这种复杂的多关节动作是通过青少年时期的经验、本体感觉反馈和视觉观察习得的——这些信息被存储在中枢神经系统中，形成关于身体运动的内部神经模型，从而能够精确控制不同质量的物体以不同速度的投掷（Feldman et al., 1998; Gordon et al., 1993; Hirashima et al., 2003; Hore et al., 2001）。

投石器如何融入这一复杂、多变且可适应的生物力学系统中，可以从其长度、平衡性、整体质量、握持方式以及使用者如何学会使用它来体现。通常，飞镖尾部有一个浅槽，与投石器的钩子或凸起部分相适配。投掷时，飞镖会弯曲以补偿投掷过程中的弧线运动，保持直线飞行轨迹。根据飞镖的具体设计和投掷动作的不同，飞镖可能会摇晃、振荡、旋转，其飞行轨迹（即外部弹道特性）也受到投掷者的影响（Pettigrew et al., 2015）。投石器可能会根据飞镖的长度、质量和柔韧性进行定制，以确保系统各部分的重量和长度相互匹配。例如，四角地区的篮子制造者使用的投石器系统（图1）通常在手柄末端附近达到平衡状态，其质量、长度和握持方式与篮子制造者遗址中发现的相对较短且较轻的飞镖相匹配（LaRue, 2010; Pettigrew and Garnett, 2015）。然而，使用者因素（如体型和投掷方法）也在决定武器有效性方面起着重要作用，投掷者能够适应设备的显著差异。这解释了民族志和考古记录中投石器和飞镖在尺寸和形态上的巨大差异。

尽管我们已经详细记录了投石器飞镖的投掷速度（Whittaker, Pettigrew et al., 2017），但对于这种武器的弹道潜力仍缺乏深入理解。矛、飞镖或箭的弹道潜力通常通过其动能和动量来量化（Cotterell and Kamminga, 1990; Hughes, 1998）。具体而言，动能（KE）以及箭头的穿刺/切割能力和箭杆表面的摩擦力在很大程度上决定了飞镖穿透固体目标的能力（Atkins, 2009）。实验表明，使用不同材质箭头的飞镖，动能是预测其穿透软组织能力的最重要因素，飞镖的动能范围可从小于30焦耳到超过100焦耳不等（Pettigrew et al., 2023）。那么，这种显著的弹道差异的根源是什么？它又如何影响我们对过去人们使用武器进行狩猎和战斗的理解呢？本文通过研究不同质量的飞镖和具有测量速度的投掷者来探讨这个问题。在后续的多元分析中，我们的目标是揭示可能导致飞镖弹道变化的一些基本原理。

投石器和飞镖弹道特性的广泛差异对考古研究具有重要意义；第5节将讨论由于缺乏关于弹道潜力的信息，导致了对武器应用的过度概括性描述，以及将不同武器技术进行简单化的比较，有时甚至支持了关于人类及其技术的决定论观点；尽管此前已有警告指出对可变武器的分类假设具有危险性（Cattelain, 1997; Christenson, 1986; Pope, 1923; Shott, 1993）。未来的研究应重点关注武器和使用者的变异性，扩大样本范围，包括更多类型的参与者和设备，并构建武器使用的生物力学模型，以检验变量之间的相互作用。

实验方案

我们的实验基于之前的研究，记录了投石器飞镖的投掷速度（Whittaker, Pettigrew et al., 2017），但使用了更多种类的飞镖和质量，并改进了仪器和方法。我们邀请了具有不同经验的投掷者投掷不同质量的飞镖，并记录了它们的速度。我们还试图找出与飞行轨迹相关的投掷者人口统计特征，包括训练经历、体重、年龄和性别等因素。

结果

在我们的样本中，我们关注的是对飞镖杀伤力影响最大的变量，即动能（KE），它是决定飞镖穿透软组织能力的主要因素（Pettigrew et al., 2023），样本中的动能范围可从小于20焦耳到超过120焦耳。在整个样本中，飞镖质量与动能之间的正相关系数最高（R² = 0.648, p < 0.001），远高于速度（R² = 0.133, p < 0.001）。

解释

多次实验数据显示，飞镖的速度和动能存在显著差异，这些差异很大程度上可归因于投掷者的人口统计特征和飞镖质量的差异（参见Coppe et al., 2019；以及点质量和重新设计对飞镖弹道的影响：Garnett, 2024）。我们使用多元线性回归和混合效应模型来分析多个变量之间的相互作用。飞镖动能的最重要预测因素是飞镖质量；在我们的最佳混合模型中，

讨论

与其他武器一样，投石器也不是固定不变的；它们在设计、使用方式和弹道效果上存在很大差异。或许最重要的是，它们所融入的生物力学系统（人体）具有高度的变异性和适应性。像我们这样的探索性研究（或“第三代实验”）在实验研究中非常有用且必要，它们揭示了一些与飞镖弹道相关的最基本变量。

结论

武器变化的社会影响以及武器在不同情境下的使用能力是持续研究的主题。我们的结果揭示了一些可能导致飞镖弹道变化的基本变量。我们尚未完全理解这一复杂问题，预计未来的研究将进一步拓展对飞镖弹道潜力的认识，以及我们对投石器使用生物力学的理解。

CRediT作者贡献声明

德文·B·佩蒂格鲁：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、数据验证、项目监督、软件开发、资源协调、方法论设计、研究实施、资金筹措、数据分析、概念构建。约翰·C·惠特克：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据验证、方法论设计、研究实施、数据分析、概念构建。艾琳·Y·朱：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

我们感谢许多参与者同意让我们测量他们的投掷速度，有些参与者还特意参加了速度测试。我们还要感谢那些为我们的众筹活动捐款的人，他们的捐款用于购买Stalker雷达设备（https://dx. doi.org/10.18258/26783）。同时，我们也感谢Carey McCormack和Chris Henry邀请主要作者参加查塔努加的活动。