古代皇家 连“放鸽子”都这么有科学

业界 | 2022-04-26 09:41:44
时间:2022-04-26 09:41:44   /   来源: 科技日报      /   点击数:()

紫禁城为明清帝王的居所,“射柳”为帝王的娱乐活动之一。据清代文人查慎行所编撰《人海记》卷下之“射柳”记载,在明永乐时期,宫中就有射柳的游戏,常见于清明至端午时节。这种游戏的做法是,将鸽子放在一个葫芦里,葫芦被悬挂在柳树上,游戏者射裂葫芦,葫芦中的鸽子飞出。谁射中的葫芦里面的鸽子飞得高,那么谁就取胜。不仅如此,鸽子脚部系有鸽哨。鸽子飞到空中时,鸽哨可发出清脆的声音。而当游戏者接连射中葫芦时,则不断有鸽子飞出,产生连绵不断的鸽哨声,增加了游戏的趣味性。清代官员潘荣陛所撰《帝京岁时纪胜》之“天坛”载有“仍修射柳故事,于天坛长垣之下,骋骑走繲”,可反映清代皇宫里浓厚的射柳习俗。从科学角度而言,射柳不仅仅表现出的是一种娱乐活动,其中弓箭的制作、鸽哨的使用,均包含了诸多古代物理知识。

弓是发射箭的工具,主要由富有弹性的弓臂和柔韧的弓弦构成。我国有着悠久的造弓历史,春秋战国时期的科技文献《考工记》,其“卷下·弓人”记载:制造精良的弓,离不开干、角、筋、胶、丝、漆六种材料。其中,干是指弓臂的主体,可使箭射得远;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;胶主要是指用动物的皮、角、膘等材料熬成的黏合物,可将角、筋黏合在弓臂上;丝即丝线,主要用于缠绕粘有角、筋的弓臂;漆主要是指清漆,用于涂刷制作好的弓臂,以消除霜露的侵蚀。另弓弦多用蚕丝制成,如明代科学家宋应星撰《天工开物》,其“弧矢”载有“凡弓弦取食柘叶蚕茧,其丝更坚韧”。

角、筋对弓的使用效果起重要的作用。《钦定大清会典事例》卷一百二十二之“兵部”,载有“(弓)面傅牛角,背加以筋胶,外饰桦皮”,即弓面向射手的表面会用胶贴上牛角片,面向目标的表面会用胶贴上牛筋,且在弓的内外表面包有桦树皮。这样,在射手拉弓时,牛筋丝可抗拉,牛角片可抗压,上述构造犹如复合弹簧片结构一样,发挥弹性作用。其主要机理在于:相对于木材而言,牛筋、牛角的储能密度更大,且均具有良好的弹性和韧性,因而更有利于弓的能量释放。另外,桦树皮富含丰富油脂,可以保护弓不易受潮,且还有一定的保暖功能。

箭主要由箭镞(箭头)、箭笴(箭杆)、箭羽、箭括(箭尾)4部分组成,其中对箭的稳定起至关重要作用的部分为箭羽。《考工记》“卷下·矢人”记载了制作箭羽的方法:箭羽安装在箭的后部,占箭总长的1/5,且为箭镞(箭头)长度的3倍;羽毛进入箭杆的深度与箭杆半径相同,且在箭杆的上、下、左、右对称设置。书中认为,按此方法制作的箭可达“虽有疾风,亦弗之能惮矣”的效果,即如果发生强风,箭也能稳定飞行。分析认为,箭被射出后,其飞行的稳定能力与箭羽密切相关。如果箭羽尺寸过大,那么箭在飞行过程中受到的风阻变大,会让飞行速度变低;而箭羽尺寸过小的话,箭在飞行中则会产生偏斜。

清代宫廷的箭羽一般采用雕翎做成,雕翎为上等的箭羽材料。古人基于长期实践经验,发现雕翎具有极佳的带风效果,有利于箭在飞行过程中保持轨迹稳定。《天工开物》之“弧矢”载有“羽以雕膀为上,雕似鹰而大尾长翅短角。鹰次之,鸱鹞又次之”。书中认为:雕翎做成的箭飞的又快又端正,优于鹰、鹞翎箭;而在南方地区有用雁或鹅毛做箭羽的,箭射出去则手不应心,一遇到风就歪向一边了。

此外,鸽哨亦为物理科学知识在古代娱乐生活中的运用。鸽哨为老北京风俗物之一,由苇、竹、葫芦等材料制作而成,其内部空心,顶面、侧面设有开口。鸽子飞行时,气流穿过哨孔,从而发出声音。鸽哨被固定在鸽子尾翎正中部位,不会因鸽子的飞行而产生偏移。哨的数量不同,鸽哨发出的声音不同。分析认为,鸽哨发声的主要机理在于:鸽子飞行时,外部气流在哨内壁产生气旋,激发鸽哨内的空气柱振动;而外部气流变化时,引起气旋的速度变化,可改哨内空气柱的振动频率,进而使得哨声出现或高或低的变化。古人利用该原理制作的趣味性娱乐工具并不鲜见。如清代官员张廷玉编写的《骈字类编》,其卷八载有“于鸢首以竹为笛,使风入,作声如筝”,即在纸鸢的头部绑扎一根小竹笛,放风筝时,气流穿过竹笛会发出鸣响。

由上可知,紫禁城宫廷里的皇家射柳活动,不仅仅表现出趣味性的一面,其中还包含丰富的古代物理科学知识,更能体现出古人的智慧。

(作者系故宫博物院研究馆员) 

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