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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。
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）（◎周 乾）