中国古代对材料弹性研究的贡献

0 引言

弹性一词源于希腊语，17 世纪英国科学家玻意耳赋予其科学意义并将弹性引入物理学，在物理学上，弹性是指物体在外力作用下发生形变，当撤销外力后能恢复原来大小和形状的性质。西方研究材料弹性的起始可以追溯至 17 世纪，1687 年，英国科学家胡克于发现材料弹性性能与外力呈线性比例关系，并提出胡克定律，认为物体变形与作用力存在简单比例关系。相对于西方，中国古代对于才材料弹性的研究起始于何时呢？古代中国在材料弹性研究方面虽然未形成系统的科学理论，但通过长期的工艺实践和器物制造，积累了丰富的经验性知识，并在弹性材料的应用上取得了卓越的成就。

1 弹性材料的早期应用与工艺雏形

在先秦时期，约公元前 21 世纪­公元 221 年，这一时期是古代对材料弹性认知的 “ 萌芽期” ，核心需求集中在武器制造（弓矢）、工具制作，以“ 经验筛选” 为主要方式，初步建立“ 材料特性­弹性效果” 的关联认知。弓是古代最早利用材料弹性储存、释放能量的典型器物，其制作工艺直接反映对弹性的认知。《考工记・弓人》作为中国最早的手工业技术专著，详细记载了弓的“ 三材合制” 工艺， 以干为骨、角为韧、筋为弹性增强体，并强调“ 冬析干而春液角，夏治筋，秋合三材” 。冬季木材干燥后弹性稳定，春季兽角软化易塑形，夏季筋腱柔韧易加工，秋季温度适宜三材贴合，这种“ 顺时取材” 的逻辑，本质是通过控制材料的物理状态（湿度、韧性）优化弹性性能。同时，《考工记》还提出“ 审曲面势” 的选材标准：木材需 “ 赤黑而阳声” （纹理顺直、敲击声清脆），角需 “ 青白而丰末” （质地均匀、末端厚实），筋需 “ 深而泽” （纤维坚韧、有光泽），这些特征正是现代材料学中 “ 弹性模量均匀、抗疲劳性强” 的经验表述。东汉经学家、教育学家郑玄对《考工记・弓人》中所提及的“ 量其力，有三均”做了如下注解：假令弓力胜三石，引之中三尺，驰其弦，以绳擐之，每加物一石，则张一尺。郑玄的这个注解，与胡克定律中所描述的作用力与形变成正比的关系是一致的。后来唐代的贾公彦对郑玄的注解作了进一步的阐述，使该关系更加清晰。早在1995 年初，学部委员王仁教授认为可将胡克定律改称为“ 郑玄­胡克定律” 。研究材料的弹性必然离不开弹簧，中国人先发现并利用了“ 弹力” 。弹簧，这一在机械中常与齿轮联合应用的部件，其历史可追溯至远古。曾一度被误认为是欧洲发明的螺旋弹簧，但在近年来的考古发现中，证实中国战国时期就已存在螺旋弹簧。中国人先发现并利用了“ 弹力” 。弹簧，这一在机械中常与齿轮联合应用的部件，其历史可追溯至远古。曾一度被误认为是欧洲发明的螺旋弹簧，但在近年来的考古发现中，证实中国战国时期就已存在螺旋弹簧。比西方早2000 年。从曾侯乙墓出土的金属弹簧到复合弓的弹性优势，中国古代弹簧技术颠覆认知，甚至东汉郑玄比胡克早1900 年发现弹性定律。此外，中国还独创了片式弹簧和扭力弹簧，展现了其在弹簧技术上的卓越成就。甚至，最古老的弓和弩，亦可视为一种独特的弹簧装置。

2 弹性认知的拓展与工艺成熟

在秦汉至隋唐时期，公元前221 年­公元907 年），随着建筑、军事、乐器等领域的需求升级，对材料弹性的认知从 “ 单一材料” 转向“ 复合结构” ，从“ 经验筛选” 转向“ 工艺调控” ，文献记载与实物遗存更为丰富。比如秦汉时期的木构建筑（如咸阳宫遗址、汉长安城未央宫遗址）已广泛采用 “ 榫卯结构” ，其核心是利用木材的弹性形变抵消外力：当建筑受地震、风力作用时，榫卯节点的木材会发生微小弹性位移，待外力消失后恢复原状，避免结构断裂。北魏郦道元《水经注》记载，洛阳永宁寺塔（高49 米）“ 木骨土皮” ，其木构框架选用“ 松、柏、楠” 等弹性优良的硬木，且“ 每材必三揉三折” （反复弯曲测试弹性），确保塔身抗风抗震­这种“ 以弹性形变缓冲外力” 的思路，比西方同类建筑理论早千余年。再比如汉代弩机（如满城汉墓出土的错金铜弩机）的发展，推动了对金属弹性的认知。弩的 “ 望山” （瞄准器）需保持长期直立而不形变，古人选用 “ 高锡青铜” （含锡量 10%-15% ），通过“ 淬火­回火” 工艺调控硬度与弹性：淬火提升硬度，回火降低脆性、增强弹性，使望山既能精准瞄准，又能承受弓弦的反复拉力。《后汉书・耿恭传》记载 “ 发强弩射之，矢贯虏甲” ，说明当时的弩弦（多为牛筋、蚕丝复合）与弩臂（桑木）的弹性匹配已达较高水平，能将弹性势能高效转化为箭矢动能。

3 弹性认知的系统化与经验总结

在宋元时期，公元 960 年­1368 年，宋元科技的繁荣推动了对材料弹性的 “ 经验总结” ，出现了一批记载弹性现象、工艺原理的专著，认知从“ 实践操作” 向“ 规律提炼” 迈进。比如北宋沈括在《梦溪笔谈・器用》中，详细描述了弓的“ 弹性疲劳” 现象：“ 弓久不用，则筋力疲软，需以汤浸而绷紧之” ，并解释“ 筋久置则纤维松弛，弹性渐失，汤浸可使纤维收缩恢复韧性” ­ 这是世界上最早对“ 材料弹性疲劳” （长期受力或闲置导致弹性下降）的观察记录，比西方同类研究早 600 余年。再比如元代黄道婆改进的 “ 三锭纺车” ，推动了对棉纤维弹性的认知。与麻、丝相比，棉纤维弹性较弱（拉伸后恢复率低），黄道婆通过 “ 轧花­ 弹棉­纺纱” 的工艺优化：用“ 弹弓” （竹制弓架、牛筋弓弦）反复弹击棉絮，使棉纤维松散并产生微小弹性；纺纱时控制锭速，避免棉线因弹性不足而断裂，最终织出“ 紧密而柔韧” 的棉布。《南村辍耕录》记载其工艺“ 织成被褥带帨，其上折枝团凤棋局字样，粲然若写” ，说明当时已能通过工艺调控，弥补棉纤维弹性的不足，拓展了弹性材料的应用范围。

4 弹性工艺的精细化与跨领域应用

在明清时期，公元1368 年­1912 年，明清手工业的专业化分工，使材料弹性的利用进入 “ 精细化、定制化” 阶段，从军事、建筑延伸至家具、仪器，形成了完整的“ 材料­工艺 ­功能” 匹配体系。比如金属弹性与精密测量的结合，明清时期的天文仪器（如浑仪、简仪）与计时仪器（如漏刻），开始利用金属的弹性制作“ 弹性元件” 。清代《仪象考成》记载，浑仪的“ 窥管” （瞄准部件）采用“ 磷铜” （含磷 0.1%0-0.3% 的铜合金）制作，其弹性优良，可通过微小形变调整瞄准角度，且长期使用不易变形；漏刻的“ 浮箭” （计时标尺）底部装有“ 弹性铜片” ，当水位变化时，铜片随浮力弹性弯曲，确保浮箭垂直上升，提升计时精度­这是古代对金属弹性“ 精密利用” 的典型案例。

5 结束语

总而言之，中国古代在材料弹性的应用实践领域是世界领先的，尤其是在弓弩制造方面。这些成就建立在长期、大量的经验积累之上，并形成了系统的工艺体系。然而，受限于整体科学范式，最终未能诞生出经典的弹性力学理论。但这丝毫不影响其作为中国古代科技辉煌成就的重要组成部分。

参考文献

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[2] 刘树勇等.郑玄与胡克定律-兼与仪德刚博士商榷[J].自然科学史研究.2007(248-254).

[3] 老亮.中国古代材料力学史[M].国防科技大学出版社.1991.第一

作者简介：吴云沛（1978-）,男，副教授，硕士，主要研究方向为大学物理实验教学，大学物理教学及光电材料研究。基金资助：2020 年教育部产学合作协同育人项目：数码光学实验课程培训（202002266005）教研项目：基于科普教育基地的理工类大学生科学创新能力培养途径研究（SCJY202308）