中國榫卯中的積木拼接原理 中國中國榫卯技術(shù)博大精深

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傳說春秋時代魯國工匠魯班為了測試兒子是否聰明，用6根木條制作一件可拼可拆的玩具，叫兒子拆開。兒子忙碌了一夜，終于拆開了。這種玩具后人就稱作魯班鎖。魯班鎖亦稱孔明鎖、別悶棍、六子聯(lián)方、莫奈何、難人木等。它起源于中國古代建筑中首創(chuàng)的榫卯結(jié)構(gòu)。這種三維的拼插玩具內(nèi)部的凹凸部分嚙合，十分巧妙。魯班鎖類玩具比較多，形狀和內(nèi)部的構(gòu)造各不相同，一般都是易拆難裝。拼裝時需要仔細觀察，認真思考，分析其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

在沒有釘子、繩子、接合劑的情況下，你能將六根木條交叉固定在一起嗎?這對空間想象能力是一個極大的挑戰(zhàn)。兩千多年前的魯班就發(fā)明了一種方法，用一種咬合的方式把三組木條垂直相交固定，六根木條分別冠以六藝，中間有缺，缺缺相合，以十字雙交卡榫組成。它看似簡單，但設(shè)計難度相當高，卡榫僅借木條的不同凹槽放置、拼湊，挖槽的密合度稍有不足都可能影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)固度，需將木塊大小不一的卡榫精準放置才能組合成功，而且只要抽掉一根木條，整個接合的木塊也即散架了。外觀看是嚴絲合縫的十字立方體，動動腦筋可拆解，裝上可不是那么容易的。

魯班鎖實際是一種涉及立體幾何知識的玩具。通過幾何分割，可以組成多種鎖定方式。古典數(shù)學玩具展見證了中國古代的悠遠文明，也為現(xiàn)代人傳遞了知識與樂趣。其實數(shù)學就在我們身邊，數(shù)學就蘊藏在游戲之中。通過魯班鎖，能讓我們領(lǐng)略到科學的奧秘與趣味，也能夠?qū)W到一些科學的知識與方法。中國古典玩具博大精深，因流傳中外、喜者眾多而博大，因文明高雅、造型優(yōu)美、數(shù)學底蘊深厚而精深。這類玩具以它開發(fā)智力、啟迪思維的功能發(fā)揮著獨特的作用。通過解開魯班鎖可以讓我們體驗遠古智慧，可別讓古人留給我們的財富在我們這一代人手中丟失啊。

由于解開這種插接鎖要有聰明的頭腦，所以又有人稱它為“孔明鎖”，將它和古代足智多謀的軍師孔明聯(lián)系起來。這種玩具最早見于文字是我國清代一本魔術(shù)書《鵝幻匯編》，當時叫“六子連芳”。 英文中常用burr(刺果)來稱呼魯班鎖。全稱是Six-piece burr puzzle，意為“六根刺的刺果拼湊難題”。美國1857年出版的《魔術(shù)師手冊》中，就引進了中國的“六子連芳”，可見這種玩具傳到國外最少也有近150年的歷史。近來，美、英等多國數(shù)學家采用電腦發(fā)現(xiàn)，6根木條組成的樣式多達119963種。可見其奧妙的無窮也。我國民間藝人利用魯班鎖結(jié)構(gòu)制出多種工藝品，如繞線板、筷子筒、燭臺、健身球等。另外，近代還有用塑料和木材制造的組合球、組合馬、魔方鎖扣和鏡框等。智玩專家秦筱春致力于魯班鎖的創(chuàng)新，他將傳統(tǒng)的六柱式魯班鎖改進為7柱、8柱、9柱、10柱、11柱、12柱，乃至15柱，并由此獲國家專利。魯班鎖鎖鎖相連，就成了新的組合。秦筱春創(chuàng)作的“井字連方”、“連方塔”就是用多個魯班鎖連接而成。2002年國際數(shù)學家大會在中國舉行，華裔數(shù)學泰斗陳省身為中國少年數(shù)學論壇題詞：“數(shù)學好玩”，大會主席吳文俊提出中國的數(shù)學“不僅要振興，更要復興”，一些國外數(shù)學家也提出數(shù)學教育與人文教育結(jié)合起來能大大提高學習數(shù)學的興趣和能力。也許這些中國古典智力玩具能讓中國孩子在游戲中領(lǐng)略我國古代文明的博大精深和中國古代數(shù)學之美。

另外，魯班鎖又相傳是三國時期諸葛亮根據(jù)八卦玄學的原理發(fā)明的一種玩具，曾廣泛流傳于民間。它對放松身心，開發(fā)大腦，靈活手指均有好處，是老少皆宜的休閑玩具。孔明鎖看上去簡單，其實內(nèi)中奧妙無窮，不得要領(lǐng)，很難完成拼合。

魯班鎖的榫卯結(jié)構(gòu)在建筑上被廣泛應用。榫卯結(jié)構(gòu)是一種很普遍使用的木鑿技術(shù)，起源非常早， 距今約7000年前的浙江余姚河姆渡文化遺址屬于新石器時代，就發(fā)掘出了大量的結(jié)合完好的多種式樣的榫卯結(jié)構(gòu)遺物，可以說是我國木構(gòu)技術(shù)史上一件偉大的發(fā)明!中國木結(jié)構(gòu)建筑和家具中一直在廣泛應用，但二者技術(shù)層面上側(cè)重不同，建筑上側(cè)重結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因為榫卯結(jié)構(gòu)在幾個方向都可以開卯口，可以兼顧結(jié)合在同一點上不同方向的受力，合攏時成為一個高強度的完美的整體。家具中的榫卯結(jié)構(gòu)則成就了中國含蓄內(nèi)斂的審美觀，接合處由于有略微松動的余地，在結(jié)構(gòu)力學里就是柔性節(jié)點而不是剛性節(jié)點(比如焊接)，當無數(shù)榫卯組合在一起時就會出現(xiàn)極其復雜而微妙的平衡，除了木材延展力外，主要是由于一個個的榫卯富有韌性，不致發(fā)生斷裂。距今約1000年的著名的遼代山西應縣木塔(佛宮寺釋迦塔)高達68米，雖歷經(jīng)數(shù)次地震、戰(zhàn)火侵襲得益于榫卯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性仍安然無恙，堪稱榫卯結(jié)構(gòu)古代木制高層建筑的典范。

從力學角度看有這么幾種方式：鉸接、柔性鏈接、剛性鏈接。一次一位學者去參觀法國埃菲爾鐵塔，了解到它并非采用榫卯結(jié)構(gòu)，整個結(jié)構(gòu)中多用螺接(螺栓和螺母鏈接)便問講解員：如果不用螺接而是焊接(剛性)在一起是否可以?講解員的回答相當精彩：如果用焊接方法建造鐵塔可能早就斷裂破壞了，螺接是一種鉸接屬于柔性鏈接，應力可以通過微小位移釋放掉，穩(wěn)定性遠好于剛性連接。另外榫卯結(jié)構(gòu)還可以通過構(gòu)件摩擦和形變可以釋放能量。(當然榫卯結(jié)構(gòu)有自身的局限性和缺點，這里略去)

榫卯結(jié)構(gòu)是兩物體相互銜接比較直觀而原始的方式，二者靠的是木構(gòu)件的摩擦力鏈接，因此尺寸必須非常合適，可丁可卯兒。如果用中國古代哲學來看榫是突起物，可以理解為陽;卯口是凹的形狀，(貫通了就是卯眼)，可以理解為陰。兩者相合是一種陰陽相合。古人也許正是受了動物骨骼和關(guān)節(jié)中的突起與凹陷的啟發(fā)，結(jié)合陰陽理念發(fā)明了榫卯結(jié)構(gòu)，

榫卯結(jié)構(gòu)確實深深地影響著我們中國人的思想，比如有句成語叫作“方枘(音瑞)圓鑿(音座)”，出自《楚辭》，(圓鑿而方枘兮，吾固知其齟齬(音舉與)而難入)，人們在用木料制作器具時，鑿出的卯眼叫作鑿，削成的榫頭叫作枘，鑿和枘的大小形狀必須完全一致才能合適的裝配起來，(圓形的榫頭是不能固定在方形的卯眼里的)，后來用此成語比喻雙方意見不合，不能相容，配合不好，格格不入。(可簡化做枘鑿或鑿枘)跟它相反的一個詞大家就很熟悉了，叫作“丁是丁，卯是卯”，(丁指榫頭)講的是做事嚴肅認真，一絲不茍。

神奇的魯班鎖不僅是一種休閑娛樂玩具，還在于它把促進人們身心健康發(fā)展、啟迪智慧的功能貫穿于“寓教于玩”、“寓教于樂”之中，使中華文化以娛樂方式，滲透和傳播到人們的日常生活中，傳播到世界各地。其實當代很多建筑設(shè)計中由于暗合了魯班鎖榫卯結(jié)構(gòu)意義的內(nèi)含，不但外表美觀而且結(jié)構(gòu)合理，比如：

在“鳥巢”正北面的新館形狀像一個巨型魔方，建筑主體就是一個類似魯班鎖的單體正方形。魯班鎖借助結(jié)構(gòu)力學把各種不規(guī)則的立體相互連接、咬合在一起。它結(jié)合了中國古代的科學思想和現(xiàn)代科技館的特點，利用若干個積木般的塊體相互咬合，使整個建筑呈現(xiàn)出一個巨大的魯班鎖造型。“同時，它也像一個巨型的魔方，中國的魯班鎖和西方的魔方都在新館的造型中能找到相似之處，取的就是探秘、解鎖的寓意。”這也正合了“中西合璧”這一用意，傳達了傳統(tǒng)與現(xiàn)代完美結(jié)合的科學理念和美好向往。希望各位網(wǎng)友在中國科技館新館開館后來參觀指導，我們來一起享受科技帶給我們的便捷和舒適的生活。謝謝~