文物中的物理：原来古代的声光技术也很厉害｜新知
文博时空/文文博时空 作者 徐之南
文物摄影｜杜广磊
日出东方而落于西，四季变换冷热交替，大自然早在人类懵懂之初就已经有了一套运作自如的系统。热胀冷缩、杠杆原理、机械共振都在等待着被人类一一发现。
我们常常从历史与艺术的角度欣赏文物，却忽略了文物本身的科学原理。我们将从力学、光学、声学、热学四个物理分支，介绍相关文物，探讨古人对物理知识的发现与应用。
陶器精美，铜灯闪烁，这些精美的文物又是如何打造出来的？如何改进陶窑才能达到烧陶所需的1000°高温？《清明上河图》中的汴京虹桥又是以怎样的精密结构承载巨重？曾侯乙编钟又是如何做到“一钟双音”？应县木塔为何“千年不倒”？让我们一起来揭示文物背后的秘密，感受古人的智慧。
01
【力学】
东汉 铜奔马甘肃省博物馆藏
专家通过现代科学仪器进行金属探伤分析，观察表面铸造痕迹和马蹄底内残存的铁芯，再结合金属成分检测结果，确认铜奔马是用青铜陶范铸造法，分段铸造焊接而成，且工匠在马的右后腿内夹铸了卯榫状铁芯骨，可以增强马腿的强度和支撑力。
此外，制作者在腿根、踝关节、蹄足等受力部位也专门做了榫卯状特殊处理，使铜奔马得到了最佳强度和支撑效果，令这匹铜奔马一足掠踏飞燕之上，历经2000年伫立不倒。
五代 耀州窑青釉刻花提梁倒流壶陕西历史博物馆藏
一般提梁壶的提梁均在壶身两侧，壶盖独立可拿取，此壶的独特之处是壶盖与器身连为一体。设计者匠心独运，将提梁的一端连接壶身，另一端连接壶盖中心，并且将提梁设计成一只凤凰形状。
这一独特设计也注定了在使用时的独特性，此壶为倒灌壶，可以把液体从壶底注入，并从壶嘴正常倒出。它运用了物理学中“连通器液面等高”的原理，即连通器中只有一种液体，且液体不流动时，各容器中的液面总保持相平。倒流壶体现了古代的一种哲学思维，那就是“倒既正，正是倒”。只要壶内液体维持在同一个高度，水就不会漫溢出来，这也告诫人们在行事时不要落入极端中。
北宋张择端《清明上河图》故宫博物院藏
该卷生动记录了中国十二世纪北宋都城东京（又称汴京，今河南开封）的城市面貌和当时社会各阶层人民的生活状况，是北宋时期都城东京当年繁荣的见证。
在《清明上河图》中存在虹桥数座，虹桥是木结构拱桥，俗称飞桥、蜈蚣桥。虹桥的建造以北宋为盛。张择端以写实的手法、合乎透视的原理，精心绘画了宋都汴梁附近的虹桥。从张择端的绘画中可以清楚地看到虹桥的结构。经过一些桥梁专家推算，其跨度约20米，宽度约8米。
虹桥是纵横相架、自身稳定的木结构。为了保证其几乎不变形，使结构成为一个坚固的整体，虹桥的木结构由21组并列的拱骨组成，拱骨采用直径约40厘米的圆木。拱骨有两个系统：外面一组，长、短拱骨各两根，相互铰接，称为第一系统；里面相邻的一组，由三根等长拱骨组成，称为第二系统。如此交替排列，全桥共由11组第一系统和10组第二系统的拱骨组成，当这两个系统各自独立时，都是不稳定结构，唯在这两个系统交会处，以巨木横贯，使拱骨彼此衔接，这才成为一个稳定结构，并将桥面载荷横向分布于各拱骨。
新石器时代陶鹰鼎中国国家博物馆藏
陶鹰鼎是新石器时代仰韶文化中唯一一件以动物塑性的器皿，可见其造型的创新性与特殊性。在中国传统文化中，鼎更多的是和“青铜器”联系在一起，更多的呈现出厚重与大气。而陶鹰鼎则是以鹰为型，三足矗立，庄重中带有一丝“萌”感。
陶鹰鼎虽以鹰为型，却并未影响器皿本身的实用性。纵观鹰鼎，其鹰身肥而有力，肌肉健硕，敦实有力的两腿微微分开，鹰尾下撘，和另外两只脚构成鼎的三足，支撑整个鼎身，其重心面垂直地落在以三足点做圆的圆心附近，此种三足器皿体现了原始先民对物体重心的认知和应用：重心即物体的重量中心，通过物体中心的垂线或垂面与物体的支撑面垂直，则物体实现平衡。
新石器时代 现藏中国国家博物馆
网纹船形壶为几千年前先民使用的水器，其造型奇特，纹饰精美有巧思，可谓是当时水器界的时尚精品。而对于这一水器的形状和用处，研究认为网纹船形壶是由当时流行的一种尖底陶罐演变而来的。
这种尖底陶罐一般腹大，口小，有研究认为这种尖底器皿是利用了重心原理制造的汲水罐。双耳位于腹部偏下位置，当两边系绳后，因为双耳低于重心导致空罐呈倾斜状态，而当罐身入水装半罐水时，瓶身则直立，而装半罐水以上时即倾覆。而船型壶则是将这一器型倾斜90度，变成了平底两侧有尖角的船形，不仅重量分布均匀，而且也更实用美观。
唐舞马衔杯仿皮囊式银壶陕西历史博物馆藏
此壶的制作工艺非常独特。壶盖帽为捶揲成型的覆式莲瓣，顶中心铆有一个银环，环内套接了一条长14厘米的银链与提梁相连，壶肩部焊接着一端有三朵花瓣的像弓剑形状的提梁。壶身是先将一整块银板捶打出壶的大致形状，再以模压的方法在壶腹两面模出两匹相互对应奋首鼓尾、衔杯匐拜的舞马形象，然后再将两端黏压焊接，反复打磨致平，几乎看不出焊接的痕迹。
鎏金舞马衔杯纹银壶以锤揲、錾刻、鎏金等工艺加工制作而成，显示出了唐代高超的金银器制作水平。捶揲即是充分利用金银的延展性能，用锤子将金银打造成圆形薄叶，然后置于器物或模具上再从中央开始挤压捶打，就会形成有凹凸纹饰的器物。早在公元前2000年，西亚地区就掌握了捶揲技术。随着中外文化的密切交流，捶揲技术从西亚传入我国，唐代工匠熟练掌握了这种工艺，从而使金银器制造技术进入了新的发展阶段。
战国 现藏中国国家博物馆
包金嵌玉兽首银带钩的主要装饰工艺包括錾刻镂雕、鎏金、镶嵌等。工匠按设计图用薄纸拷贝出纹样，贴在材料上，用小錾錾出虚线，也就是点组成的线条，取下纸样，靠木锤、铁锤按印锤打出大型轮廓。在打起外形过程中一般要多次过火烧，以保持它的柔软度。通过镂空工艺錾刻掉设计中不需要的部分，形成透空的纹样，称镂空或透雕。
錾刻是在金属表面进行装饰的一种工艺，用小锤熟练地击打各种大小和不同纹理的錾子，使其在金属表面留下錾痕，形成各种流畅生动的花纹图案，达到装饰的目的。这种工艺始于春秋晚期，盛行于战国。
此包金嵌玉兽首银带钩属于錾花工艺的镂空浮雕，通过錾花中的镂空工艺刻划出带钩一端的兽首、钩身两侧盘绕的夔龙以及两只对称的凤鸟纹饰。錾花制作工艺既要依靠工匠自身的雕刻技艺与经验，又要凭借錾花制作工具。这些工具都是工匠根据所錾刻花纹的需要自制的。自制錾花胶也是錾花工艺的一个重要环节。因为在錾花中需要它起一个固定、粘接和衬垫的作用，以便錾花刀在材料上面良好地工作。
02
【光学】
汉代长信宫灯河北博物馆藏
长信宫灯的造型精巧，由头部、身躯、右臂、灯座、灯盘和灯罩六部分组成。整盏灯是中空的，部件可以灵活拆卸，方便清除灯内的积灰。宫女高举持灯的右臂是一条烟道，烟灰通过右臂进入体内，从而保持室内清洁。灯罩可以通过调节开合角度控制灯火的明暗，灯盘中央插上蜡烛，点燃后，烟会顺着宫女的袖管进入体内，不会污染环境。
长信宫灯的燃烧原理是其最大的亮点之一。在汉代，灯具一般使用动物油脂作为燃料，但燃烧时产生的油烟会污染室内空气。而长信宫灯通过巧妙的设计，将烟熏油灯的排烟问题解决得很好。灯燃烧时产生的油烟随着热空气的推动上升，沿宫女的袖管进入中空的灯体内，与金属壁接触后逐渐冷却，凝结在内壁。由于灯体下端没有底盖，这件灯具还可以放置在水盘上，烟遇水也会凝结，避免了室内的空气污染。
长信宫灯更是古代“环保”理念的杰出代表。当点燃灯盘中心的蜡烛时，烟雾会顺着宫女的袖管进入灯体内部，有效避免了烟雾对环境的污染，确保了室内空气的清新。宫灯的造型构造设计合理，许多构件便于拆卸和清洗，考古学和冶金史的研究专家公认，此灯设计之精巧，制作工艺水平之高，在汉代宫灯中首屈一指。1993年被鉴定为国宝级文物。因此被誉为“中华第一灯”。
西汉 彩绘雁鱼青铜釭灯 中国国家博物馆藏
釭是指导烟管，釭灯就是带导烟管的灯，又可简称为釭，是汉代新创制的一种灯具。汉代灯通常被做成人形、动物形和器物形，其导烟管有单管和双管两种，都能将烟气导入灯腹内，使室内减少烟炱而保持清洁。釭灯是汉代灯具在功能方面最先进的发明创造，构思设计巧妙合理，达到了功能与形式的完美统一，在世界灯具史上处于领先地位。
彩绘铜雁鱼灯是釭灯中的杰作。它以传统的禽鸟衔鱼的艺术造型呈现，整体形象是一只鸿雁回首衔鱼伫立。这只雁的颈部修长，回首衔着一条鱼，体态肥硕，羽翼丰满，短尾上翘，双足并立。灯盘带柄，位于雁背之上，而灯罩则是由两片弧形板组成。使用者可以通过转动开合灯盘和灯罩来调整光线和风向，使室内环境更加舒适。更为独特的是，这只雁和鱼的身体都是中空相通的。在大雁的颈部和背部，以及鱼的腹内，都有子母口设计，使得这些部分可以相互连接。当油脂被点燃时，产生的烟雾会通过鱼腹收集，然后经过雁颈导入，最终吸附在雁腹内的水面上。这种设计不仅有效地减少了室内的油烟污染，还赋予了灯具更多的艺术美感。
战国 银首人俑铜灯 河北博物院藏
男俑头部用白银精心制作，双眼用黑宝石镶嵌，高颧骨，浓眉短须，胡须微翘，发髻、胡须、眉毛、头发，根根可见，笑容可掬。男俑身穿长袍，广袖低垂，长裙曳地，不仅显得潇洒自然，而且有利于器物平衡。右手执蛇，连接一柱，顶上为灯盘，柱上有一攀援的猿；左手执蛇尾，蛇口衔一灯盘。左边平地放置的灯盘中，一条蟒蛇盘踞其间，吻部高挺顶住耍蛇人左手所握之蛇，保证了全灯重心稳定。这样的高难度动作，并不是虚构，而有生活原型，考证发现这是河北杂技史迄今发现最早的实物证据。
根据不同的使用场景，这盏灯可以自由调节灯光，高、中、低不同处的灯烛，三支、六支、九支灯烛，分别对应不同的亮度需求，当同时点满九支灯烛时，火光高低错落，有如火树银花般耀眼明亮。
西汉 青铜缸灯 海昏侯国遗址博物馆藏
青铜缸灯，结构繁复，由器座、托盘、侧面灯罩、顶部灯罩和弧形烟管组成。器座为球形腹鼎，兽蹄足，肩部两侧有弧形向上的出烟管。座上有一圆形托盘，盘底有一圆筒，可与底座相套。托盘内有一圆形灯盘，两者之间有两个可分离的弧形灯罩，移动灯罩，可挡风和调整光照方向。此灯利用虹吸原理，灯腹装水，烟通过烟管到达腹中溶于水，防止了燃油灯对室内造成污染，更利于照明之用。
03
【声学】
战国曾侯乙编钟湖北省博物馆藏
曾侯乙编钟之所以能成为乐钟，关键在于它恰当地运用了合金材料，在科学配比的基础上，采用了“复合陶范”铸造技术、铅锡为模料的熔模法，加上钟壁厚度的合理设计、鼓部钟腔内的音脊设置和炉火纯青的热处理技术，使铸件形成“合瓦形”，产生双音区，构成“共振腔”，从而对其所在的振动区起到负载作用，达到加速高频的衰减，有助于编钟进入稳态振动。
合瓦形钟体，两侧有棱。而棱是两片瓦状的连接部，是钟体刚性最大的部分，钟体振动时要使棱部进入振动状态需要更大的能量，因此编钟发声时，棱能对钟声起阻尼作用（减振消能），加速钟声的衰减。而且敲击同一编钟的不同部位时，因为棱的阻尼作用不同，其振动模式有很大变化。敲击正鼓部，编钟进入振动状态后，棱起着明显的阻尼作用，相反敲击侧鼓部，棱所起的阻尼作用甚微，这样就出现了“一钟双音”的奇迹。
通过对曾侯乙编钟全部几何尺寸的测试和整理分析发现，各钟的几何尺寸严格遵循着某种数学逻辑关系。就某一钟而言，只要确定其中一个主要尺寸，即可计算出其余的尺寸，而且钟体的尺寸与编钟的声学性质密切相关。例如，将编钟第一基频与其铣长联系起来分析，可以看到，基频随铣长的变化，明显地分成低频、中频和高频三个区。钟体厚度与铣长也存在内在联系，某两钟铣长相同时，可通过对钟体厚度的调整，改变钟的振动频率；在固定的频率下，限定钟的厚度，也可变化铣长。
春秋 兽面纹镈 山西博物院藏
兽面纹镈，又称兽首衔凤纹镈钟，一组四件，为国家一级文物。镈钟顶部是镂空双龙形钮，龙首相对，口中衔蛇，威风凛凛。镈钟上方平平的地方叫做“舞”部，装饰有兽首衔凤纹。镈钟的正中间叫做“钲”部，装饰有兽首双身纹；下面一圈叫做“鼓”部，也装饰了华丽繁复的兽首衔凤纹，是演奏的时候敲击的部位。镈钟上的一个个圆形的突起，叫做“枚”，起到了加快声音衰减的作用，它们被塑造成盘绕状螭纹的形象。“枚”与“枚”之间的条状部位被称为“篆”部，装饰的是另一种以神兽为主体的纹饰——蟠螭纹。兽面纹镈是众多追缴回来的珍贵国宝之一。
04
【热学】
北宋北宋汝窑天青釉弦纹樽故宫博物院藏
宋汝窑天青釉弦纹樽是宋代汝窑烧制的工艺品，我们可以很清楚的看到釉面的细碎开片，造成开片的原因是烧造冷却时，瓷坯和釉料的热胀冷缩的比率不同，所以在出窑时会造成釉开裂。虽然这是一种瑕疵，但古往今来，人们已经认同了这种开片美，而工匠们也了解并掌握了开片的原理和规律，反而主动追求瓷器的这一种特殊装饰了。
这件瓷器的开片完美诠释蟹爪纹与鱼鳞状开片，这是汝窑的两个典型特征。蟹爪纹：纹理杂乱，很像螃蟹的爪。鱼鳞状开片则意即开片的形状、裂纹的角度都是倾斜的，没有笔直的裂纹，非常类似于鱼鳞，因此叫鱼鳞状开片。
新石器时代彩绘鹳鱼石斧图陶缸中国国家博物馆藏
彩绘鹳鱼石斧图陶缸是新石器时代前期的一件葬具，出土于1978年的河南省临汝县阎村，临汝县即今天的汝州市。汝州自古以来就是陶瓷的发源地，从原始社会的鹳鱼石斧图汝陶缸，到五大名窑之首，汝州的熊熊炉火燃烧了几千年，形成过“汝河两岸百里景观，处处炉火连天”的繁荣景象，在中国陶瓷史上占有显著地位。
陶器用黏土或陶土经捏制成形后烧制而成，具有耐火、不溶于水等特性，是最早的人工材料制品。陶器的产生离不开火的使用。相传，原始社会的燧人氏发明了取火的“木燧”，即“钻木取火”的取火工具，由此人们掌握了“摩擦生热”的热学原理。当人们掌握了火的使用之后，还需达到一定的温度，才能实现烧陶时化学组分的变化，产生低共熔玻璃相，粘合黏土中颗粒，降低吸水率，从而增强陶器硬度。若温度不够则就成了生烧，化学反应不充分，吸水率高，硬度差，陶器质量便差。因此，古代人也创造了一种依靠经验进行的温度目测技术，这也是陶器烧制成败与否的关键之处。
新石器时代新石器时代仰韶文化彩陶人面鱼纹盆中国国家博物馆藏
人面鱼纹彩陶盆发掘于半坡遗址当中，此时制陶工艺已经发展到了具备设计科学合理的陶窑的阶段。这一时期的陶窑有横穴窑和竖穴窑两类，是由平地露天堆烧发展到一次性泥质薄壳封烧而后发展而成的。平地堆烧陶器时，升温较快，最高温度可达900°，但保温不好，因此热效率低，也经常出现生烧现象；一次性泥质薄壳封烧改进了平地堆烧的保温问题，而且降低了烧制所消耗的燃料量，提高了热效率烧成温度一般在800-900°之间；而窑炉烧陶的方法，利用窑室又进一步的提高了保温性能和热效率，烧成温度提高到950-1050°之间，同时也解决了泥质薄壳封烧使用的一次性问题。
横穴窑后部的排气孔会对前部火膛的热气产生吸力，从而提高窑室的温度；而竖穴窑则是实现了下方的热力上升到窑室，从而快速升温并持久保温。此类陶窑的出现是烧窑技术的巨大进步。
新石器时代 封口白陶鬶 莒州博物馆藏
此陶鬶（guī）为夹砂白陶，属大汶口文化器物，陶鬶是新石器时代常见的水器和礼器，一般多为敞口，此封口陶鬶为其中的特殊器型。此器型为长流喇叭口，喇叭封口处上有多个筛眼。筛眼有多重用处，不仅能在煮水时防止灰尘杂物落入内部，还能够起到一定的过滤作用。陶鬶有三只袋足，颈腹间安有一桥形柄，其上饰两道弦纹，腹部饰一周长条状附加堆纹。
大汶口文化后期，先民用“坩子土”经1000℃的高温烧制陶器，烧成的器物质地坚硬，胎壁薄匀，器物呈现色泽明丽的白色，还有一些黄色和粉红色细砂陶器，一般统称为白陶。与其他器物相比，白陶器色泽纯正，质地醇厚，整体素面，尽显洁净与素雅之美。
新石器时代 黑陶罍 日照市博物馆藏
新石器时代酒器，细泥黑陶。外表打磨光滑，形为直颈球腹，肩腹部饰有对称纵向分布的两对贯耳，器表饰以多道凹弦纹，制作精致，造型优美，是山东龙山文化黑陶器中的精品。黑陶罍与黑陶蛋壳陶杯和白陶鬶一同出现，三种类型的器物正好组成一套完整的酒器，能够实现盛、斟、饮三种功能。
黑陶器是龙山文化的代表器物，许多规格较高的墓葬之中都出土了大量制作精美的黑陶容器。黑陶的烧制方法则是在器物烧成的最后阶段往热窑中徐徐加水，由此产生的大量浓烟炭粒粘附在器物的表面，窑温冷却后，碳元素被密封在器壁中，从而烧成黑陶。所烧成的黑陶器更显沉稳、大气，有着纯黑如漆的美誉，俗称“黑又亮”。
春秋 牺尊 上海博物馆藏
这件青铜器以水牛为形，构思巧妙。牛腹内中空，其颈部和背脊上巧妙地开了三个孔，中央的孔内嵌套了一个可拆卸的锅形器，实用便捷。根据其结构，我们可以推断这是一件用于温酒的器具。锅形器用来盛放酒水，而空穴则用来注水，水注入尊腹，从而起到温酒的效果。
中国青铜器的一个显著特点就是将动物形态融入酒器设计中，这件作品便是其中的佼佼者。尽管它的四足短小，但整个形态却显得稳重而有力。牛首上的双角张力十足，双目圆瞪，这些细节都保持了极高的真实感，使得造型与实用性得以和谐统一。值得一提的是，牛鼻上穿有一环，这一细节揭示了春秋时期已经开始使用穿鼻法来驯服牛。因此，这件青铜器不仅是一件精美的艺术品，同时也是研究中国牲畜驯化史的重要实物资料。
图片 | 杜广磊
排版 | 小谢
设计 | 尹莉莎
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