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古代皇家 連“放鴿子”都這么有科學

業界 | 2022-04-26 09:41:44
時間:2022-04-26 09:41:44   /   來源: 科技日報      /   點擊數:()

紫禁城為明清帝王的居所,“射柳”為帝王的娛樂活動之一。據清代文人查慎行所編撰《人海記》卷下之“射柳”記載,在明永樂時期,宮中就有射柳的游戲,常見于清明至端午時節。這種游戲的做法是,將鴿子放在一個葫蘆里,葫蘆被懸掛在柳樹上,游戲者射裂葫蘆,葫蘆中的鴿子飛出。誰射中的葫蘆里面的鴿子飛得高,那么誰就取勝。不僅如此,鴿子腳部系有鴿哨。鴿子飛到空中時,鴿哨可發出清脆的聲音。而當游戲者接連射中葫蘆時,則不斷有鴿子飛出,產生連綿不斷的鴿哨聲,增加了游戲的趣味性。清代官員潘榮陛所撰《帝京歲時紀勝》之“天壇”載有“仍修射柳故事,于天壇長垣之下,騁騎走繲”,可反映清代皇宮里濃厚的射柳習俗。從科學角度而言,射柳不僅僅表現出的是一種娛樂活動,其中弓箭的制作、鴿哨的使用,均包含了諸多古代物理知識。

弓是發射箭的工具,主要由富有彈性的弓臂和柔韌的弓弦構成。我國有著悠久的造弓歷史,春秋戰國時期的科技文獻《考工記》,其“卷下·弓人”記載:制造精良的弓,離不開干、角、筋、膠、絲、漆六種材料。其中,干是指弓臂的主體,可使箭射得遠;角主要是指牛角,可使箭射得快;筋主要是指牛筋,可使箭射得深;膠主要是指用動物的皮、角、膘等材料熬成的黏合物,可將角、筋黏合在弓臂上;絲即絲線,主要用于纏繞粘有角、筋的弓臂;漆主要是指清漆,用于涂刷制作好的弓臂,以消除霜露的侵蝕。另弓弦多用蠶絲制成,如明代科學家宋應星撰《天工開物》,其“弧矢”載有“凡弓弦取食柘葉蠶繭,其絲更堅韌”。

角、筋對弓的使用效果起重要的作用?!稓J定大清會典事例》卷一百二十二之“兵部”,載有“(弓)面傅牛角,背加以筋膠,外飾樺皮”,即弓面向射手的表面會用膠貼上牛角片,面向目標的表面會用膠貼上牛筋,且在弓的內外表面包有樺樹皮。這樣,在射手拉弓時,牛筋絲可抗拉,牛角片可抗壓,上述構造猶如復合彈簧片結構一樣,發揮彈性作用。其主要機理在于:相對于木材而言,牛筋、牛角的儲能密度更大,且均具有良好的彈性和韌性,因而更有利于弓的能量釋放。另外,樺樹皮富含豐富油脂,可以保護弓不易受潮,且還有一定的保暖功能。

箭主要由箭鏃(箭頭)、箭笴(箭桿)、箭羽、箭括(箭尾)4部分組成,其中對箭的穩定起至關重要作用的部分為箭羽?!犊脊び洝?ldquo;卷下·矢人”記載了制作箭羽的方法:箭羽安裝在箭的后部,占箭總長的1/5,且為箭鏃(箭頭)長度的3倍;羽毛進入箭桿的深度與箭桿半徑相同,且在箭桿的上、下、左、右對稱設置。書中認為,按此方法制作的箭可達“雖有疾風,亦弗之能憚矣”的效果,即如果發生強風,箭也能穩定飛行。分析認為,箭被射出后,其飛行的穩定能力與箭羽密切相關。如果箭羽尺寸過大,那么箭在飛行過程中受到的風阻變大,會讓飛行速度變低;而箭羽尺寸過小的話,箭在飛行中則會產生偏斜。

清代宮廷的箭羽一般采用雕翎做成,雕翎為上等的箭羽材料。古人基于長期實踐經驗,發現雕翎具有極佳的帶風效果,有利于箭在飛行過程中保持軌跡穩定?!短旃ら_物》之“弧矢”載有“羽以雕膀為上,雕似鷹而大尾長翅短角。鷹次之,鴟鷂又次之”。書中認為:雕翎做成的箭飛的又快又端正,優于鷹、鷂翎箭;而在南方地區有用雁或鵝毛做箭羽的,箭射出去則手不應心,一遇到風就歪向一邊了。

此外,鴿哨亦為物理科學知識在古代娛樂生活中的運用。鴿哨為老北京風俗物之一,由葦、竹、葫蘆等材料制作而成,其內部空心,頂面、側面設有開口。鴿子飛行時,氣流穿過哨孔,從而發出聲音。鴿哨被固定在鴿子尾翎正中部位,不會因鴿子的飛行而產生偏移。哨的數量不同,鴿哨發出的聲音不同。分析認為,鴿哨發聲的主要機理在于:鴿子飛行時,外部氣流在哨內壁產生氣旋,激發鴿哨內的空氣柱振動;而外部氣流變化時,引起氣旋的速度變化,可改哨內空氣柱的振動頻率,進而使得哨聲出現或高或低的變化。古人利用該原理制作的趣味性娛樂工具并不鮮見。如清代官員張廷玉編寫的《駢字類編》,其卷八載有“于鳶首以竹為笛,使風入,作聲如箏”,即在紙鳶的頭部綁扎一根小竹笛,放風箏時,氣流穿過竹笛會發出鳴響。

由上可知,紫禁城宮廷里的皇家射柳活動,不僅僅表現出趣味性的一面,其中還包含豐富的古代物理科學知識,更能體現出古人的智慧。

(作者系故宮博物院研究館員) 

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