古代皇家连“放鸽子”都这么有科学

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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。