第1节

木材的重要性

当我们谈论古代技术时，总是欣欣然地从石器时代开始，然后添加铜器时代、青铜器时代和铁器时代（但是未必能说出正确的顺序）的不同技术，这常常令我感到惊讶。我认为，这种观念存在一个重大疏忽，因为在金属出现之前，我们一直都在使用木制品。事实上，木材在我们迈向工具和文明的第一步中发挥了至关重要的作用。人们用它取火，制作钓竿和弓箭。同样重要的是，人们还用木筏和木船进行运输。木材是后续技术的基本原料。即使在今天，从摇篮到棺材，都离不开木头。我们对木材的需求和兴趣肯定没有消失。我们可以在没有硅电子器件的情况下生存，但无法在没有木材的情况下生存。

这是一个重要的事实，但我们似乎忽略了这一点，因为人类的活动破坏了雨林。雨林在世界可居住地表中所占比例很小，但其中动植物种类繁多，它也是地球上氧气的重要来源。人类毁坏雨林，是为了种植农作物，喂养牲畜或生产棕榈油等，从而通过不同的途径获得经济收益。这并非现代才出现的新模式，只是由于其规模庞大，导致破坏力非常显著。事实上，我们一直在因农业、建筑和工业的需要而破坏天然森林。即使在英格兰南部的半农业地区，肯特（Kent）的森林也被砍伐用作炼铁厂或造船厂的燃料。为了放牧羊群，萨塞克斯的人砍伐了森林，留下了光秃秃的山坡。

为什么木材有多种用途？

在21世纪，木材仍然受到高度重视，它既能作为建筑材料，也可用于各种装饰性的表面。当然，就理想化的工艺材料而言，木材远不够完美，因为它不够均匀、光滑，特征明显，缺乏同质性，木材具有生物材料的所有“缺陷”。不均匀的纹理和色调非常适合做装饰。它们为每一块木材赋予了个性。鉴于我要大胆论证缺陷有其可取之处，因此木材及其不完美的特性似乎提供了一系列积极的佐证。

纹理、质地和颜色使木材成为制作地板、家具、碗和木雕的理想材料。人们非常喜欢这种外观，所以积极尝试在类似产品中用廉价的塑料进行仿制。随着我们对各种奇异木材的认识，装饰的目标和风格也发生了变化。木工尤其喜爱树木随机生长的图案，比如树瘤。树瘤是树干周围形成的异常纹理，因此它是理想缺陷的又一个例证。树木在生长过程中遭受压力，如霉菌或昆虫损伤，导致树芽停止生长，变成节疤，大量的节疤纠缠在一起，便形成了树瘤。

历史悠久的镶嵌工艺

如果说变化是生活的调味品，那么我们需要纹理和颜色的差异，并且渴望实现更加极端的变化，为此我们利用镶嵌工艺，将各种类型的木材组合在一起。这是一种极其古老的工艺，它将各种类型的木材组合在实木或薄木中，形成几何图案、图片或抽象的设计。图3.1展示了两个精致的现代镶嵌作品（地板上使用的简单的重复几何图案被称为“拼花”）。在精细的镶嵌工艺中，木材不均匀的缺陷被利用，甚至被刻意强化。专家们不仅利用天然薄木的颜色差异，还对木材染色或将其浸入热砂中，使其略微焦化，从而呈现出更多的变化（这对某些情况来说是缺陷，对某些情况来说是改进）。这样所形成的颜色渐变可用于制作图画和装饰图案。焦化提供了阴影的效果，使木材的二维图案更加逼真。

图3.1 精致的现代镶嵌作品

资料来源：由位于英国兰德林多德韦尔斯（Llandrindod Wells）的雅里玛有限公司（Aryma）提供

虽然镶嵌工艺已流行了数千年，但其风格和技术正随着时间的推移而发展。例如，许多现代镶嵌工艺不再由熟练的工匠用锋利的刀或解剖刀进行手工切割，而是由计算机控制的激光束以极高的精度进行切割。低功率的二氧化碳激光可以在不磨损木纹边缘的情况下整齐地进行切割。在使用激光切割布料以进行批量剪裁，或者用激光切割进行手术的时候，其自动封闭与不会磨损边缘的特点也是一大优势。在外科手术中，激光比手术刀更有优势，它可以减少患者的出血量。在这两种情况下，激光切割都能提高精度，而且保证切割边缘干净，因为激光产生的能量可以熔化边界或形成疤痕组织。计算机控制的激光技术非常适合进行低成本、大规模的镶嵌加工，而熟练的工匠可以整理切口，将木纹和颜色的随机变化变为一种优势。

作为一名小提琴家，我发现镶嵌技巧和小提琴制作之间也存在交集。从诗琴、曼陀林、吉他到小提琴，许多乐器都使用了装饰性元素，镶嵌彩色木材来美化乐器。其中尤为华丽的代表便是斯特拉迪瓦里小提琴（Stradivarius）。它的背面和琴身边缘（图3.2）的功能性镶嵌物（饰缘）既起到了装饰的作用，也有其技术上的必要性，能防止裂纹沿着琴身或背面的木纹理扩展下去。图3.2所展示的是乔瓦尼·马吉尼（Giovanni Maggini，1580-1632）等制琴师制作的一种比较少见的双排饰缘。

从图3.2（b）中可以看出，平滑的f孔减轻了尖角应力。尽管如此，我们仍然可以看到一些木纹裂缝。在小提琴制作中，这种减压方法已有400年的历史，但不幸的是，这种经验未必会延伸到更加复杂的产品中。20世纪50年代初，英国第一架喷气式民航客机彗星号（Comet）出现了一次非常严重的故障。该飞机使用了方形窗户和相对较薄的飞机外壳。飞机到达新的高度，产生了巨大的热循环，以及正常预期内的应力和压力变化。这导致方形窗户的边角处产生裂纹，玻璃开裂，结果飞机坠毁，造成多人死亡。发展到后来的彗星4号客机，机窗已改为椭圆形，所用材料也更加坚固。更深入地理解木制小提琴的制造技术，可能会对英国的航空业产生巨大影响。

图3.2 小提琴的木纹、f孔与饰缘

注：（a）展示的是一把马吉尼小提琴的部分琴身。其饰缘由两组镶嵌物制成。木材上几乎平行的纹理线条清晰可见，这些条纹的间距因年轮宽度和间隔的年增长率差异而有所不同。（b）是制作于1773年左右的贝雷塔（Beretta）小提琴的一部分。该小提琴只有一条普通饰缘，但有一个平滑的f孔，这个f孔有助于防止木材沿琴身裂开。（c）是贝雷塔小提琴的背面。年轮的间隔取决于历史上的气候变化，我们可以据此估算出该小提琴的年龄。通常情况下，琴身的图案更容易解释。

石斧和弓箭中的早期木材工艺

即使是石器时代的工具，木材也发挥着关键作用，通过给石斧加一个木制手柄就能实现改良，而且制作起来非常简单。从树上选取Y形的叉状树枝，将石头捆绑在上面，就能制成简单的锤子和石斧。制作一支优良的弓箭需要在技术上取得相当大的进步，但远距离狩猎工具所带来的回报是一个巨大的激励因素。对箭头而言，最好选用纹理笔直且质地均匀（即尽可能完美）的材料。但对弓来说，一定程度的“缺陷”是必不可少的。在树木生长的过程中，已经成熟的心材与仍在生长的外层边材的性质不同。人们很快就发现，如果要通过弓箭猎取午餐食物，所用木材不仅能弯曲，还要尽快恢复形状，从而将箭平直地射出一定的距离，同时使其具有足够的力量穿透猎物的身体。边材柔软并能随意弯曲，心材则更加坚硬，两者相接处恰好可以满足弓箭的需求。用这个区域的木材进行加工，可以获得一把优质的弓。经典的英格兰长弓由紫杉木制成，弓的背侧（即更靠近目标的一面）是柔韧的边材，它可以随着弓的弯曲而伸展。腹侧是较硬的心材，能够承受压力，当弯曲力消除时可以迅速回弹。最终结果是一个双层弓结构，符合弓箭手对柔韧性与快速复原的要求（图3.3）。借用物理学家的描述，腹侧的应力是压缩力，背侧软木部分的应力是拉伸力。这样的描述听起来似乎更具科学性，但在这项技术问世几千年后，人们才开始了解其原理并使用这些术语。现代的弓仍利用相同的原理，但使用了层压复合材料，这种材料由不同类型的木材或木材与聚合物复合而成。

图3.3 弓的复合木类型

注：选取心材和边材相接处的木材，将其切割成弓的形状，从而制成高效率的长弓。（a）是这种木材的位置示意。（b）展示了传统紫杉木长弓中两种木材间的颜色变化。心材和边材相接的地方能够弯曲。心材压缩并充当复位弹簧，而外层的边材具有弹性，弯曲后可被拉回原来的形状。（c）展示了现代设计，它使用了由两种或多种木材层压复合而成的材料。运用的原理相同，但材料的层数增加了，使其在长度上的均匀性更佳。

射箭是否有益身体健康

现代射箭运动不再需要大拉力的弓，发射出去的箭也不需要穿透猛犸象的毛皮或链甲。相反，射箭已被视为一项健康、健美、愉快的运动。的确如此，但它多少会导致肌肉发育的不对称。现代人适度发育的肌肉与早期作为军事武器的弓箭形成了强烈的对比，后者会导致弓箭手的肌肉不对称和骨骼变形。21世纪的复合弓通常能将箭高速射出。但使用古代的弓箭时，人们必须在瞄准时用尽全力将弓拉满，但借助凸轮和滑轮系统，可以更省力地将弓拉满。有些设计可以省力70%。它能保证更大的稳定性、更小的拉力和更高的精度。这种新设计看起来不像罗宾汉（Robin Hood） 的弓。拉动弓箭所需要的牵引力通常为30至40磅（1磅≈0.45千克）。中世纪的箭需要具备极高的穿透力才能使箭头穿透盔甲，弓箭手们常常要用120磅甚至更高的拉力。这些颇具历史意义的估算通过对“玛丽·罗斯号”（Mary Rose，亨利八世时期的一艘军舰）上发现的长弓进行修正后得出。这些中世纪的长弓拉力为150至160磅，甚至可能高达200磅，着实令人震惊。这些弓的长度也超出了人们的想象。

树木生长期发生变形的好处

树木美丽多样，但它们有树枝和节疤，因此就现代制造材料而言，它们并不是非常理想的选择。早期人们并未将这些特殊性转化为优势。例如，在建造船只和木屋时，木头是重要的材料，但在需要小半径曲线和顶层端节点的地方，人们通常会用树木天然的枝杈部分来提供支撑，而不是尝试制作成斜角接头。因此，橡木用于制造船身的框架，大量其他木材，如榆树和山毛榉，用于制造龙骨，冷杉木（松木）用于制造桅杆，还有各种木材，包括榆木、愈创木、黄杨木和其他硬木，用于制造甲板分段和船体所需要的其他器具。虽然其中许多特殊性并非木材真正的“缺陷”，但它们强调了一点，即非均质的天然材料的特殊性可以得到广泛的利用。

造船业对强度高、生长缓慢的树木，特别是橡木的需求量极大，以至于到了18世纪20年代，英国木材严重短缺。这给一艘名为“胜利号”的船只［它是纳尔逊（Nelson） 在特拉法尔加海战中所指挥的“胜利号”军舰的前身］带来了显而易见的问题。1728年年初，第一艘“胜利号”使用了大约5500棵橡树以及来自500棵其他树种的木材。由于原料非常紧缺，导致木材尚未充分风干便被拿来使用。海军历史学家认为，这是导致船只在1744年的一场风暴中沉没的一个关键原因。实际上，那艘船的设计非常糟糕，头重脚轻，且建造时间长，最终在风暴中沉没。

在建造船舶时，我们仍会利用树木自然生长而成的弯曲，也会在其他许多结构中应用这种弯曲，例如为屋顶桁架提供支撑的拱形结构等。与同样厚度的直纹木材相比，这些在生长过程中出现“缺陷”的木材可以提供更高的支撑强度。典型示例如图3.4所示。

图3.4 建筑接口处弯曲的木材

注：这张照片展示了在早期的建筑施工中，如何利用弯曲的木材（曲木或横弯）为屋顶和拱门提供支撑。在造船时，木材的自然形态，例如从树干生长出来的树枝，可以用在船体等地方。利用曲木的案例之一是英国阿什韦尔（Ashwell）圣玛利教堂的停柩门。

木材仍然是建筑业的关键材料，并被加工成我们所熟悉的其他形状。近几年出现了一种在机械上非常坚固的建筑材料，其中的木质素已被去除。它比普通木材强韧十倍。其结构能散射大部分可见光，更重要的是，它能有效阻隔红外线。因此，这种材料能在一定程度上降低室内温度。建筑物的制冷成本高且效率低，但这种新型木质材料不需要额外供电。它可以作为一种覆层，节省用于冷却系统的电力。