引言
在细雨蒙蒙的江南水乡，油纸伞如同一幅幅流动的水墨画，轻轻摇曳在青石板路上，不仅装点了古朴的风景，更承载着千年的智慧与匠心，是非遗文化中一颗璀璨的明珠。然而，当我们以科学的眼光重新审视这把古老的手工艺品时，不难发现，油纸伞背后蕴藏着丰富的科学智慧与无尽的探索乐趣。其制作过程复杂精细，从选材到成品，每一步都蕴含着匠人的智慧与汗水。本文旨在通过一系列科学实验，深入探究油纸伞的伞骨与伞面中蕴含的科学原理，探讨油纸伞的独特魅力与传承价值。
探究起源
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一次偶然，我看到了当代书画名家朱新龙的国画作品《花团锦簇》，此作以1998年还未恢复规模生产，走访江南地区制伞者家中所见所闻而创作，描绘出一幅生产油纸伞的繁复画面，其中占画面大部分的油纸伞色彩纷繁，艳而不乱，更是深深的引起了我的注意。又想到白居易笔下的 “江南雨，古巷韵绸缪。油纸伞中凝怨黛，丁香花下湿清眸。幽梦一帘收。”描绘了一派江南烟雨撑伞的美景。从古至今，时光悠悠千年有余，油纸伞仿佛是江南地区的象征，随着历史长河传承至今。油纸伞有着怎样的制作工序？其中蕴含着怎样的科学奥秘？
2024.8.17，多云，26-35℃
带着这份好奇与疑问，我走进了温州非物质文化遗产体验馆。
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在讲解老师的带领下，我不仅看到了样式纷繁的油纸伞，更学习了温州油纸伞的历史和文化底蕴。最令我震撼的莫过于其复杂的工艺，从选材到成品，需经过削竹、编竹、上伞面、绘花、刷桐油等数道工序，其中的每一步看似轻松，却无不蕴含着匠人们历经千年总结出的经验。这次非遗体验之旅进一步激发了我对油纸伞的好奇，在老师和父母的鼓励与支持下，我决定进行实验，聚焦于油纸伞伞骨和伞面两方面，探究油纸伞背后的科学原理。
我的疑问
油纸伞与常用的伞有什么区别？
是什么结构能让它没有弹簧依然开合自如？
油纸伞的伞骨通常选用什么材料？
为什么要选用这种材料？
油纸伞的承重能力和稳定性与那些因素有关？
油纸伞的伞面为什么不怕水？
2024.8.21，多云，26-32℃
伞骨探究
我绘制了油纸伞的结构图，大致可以将其分为伞面、伞骨、伞柄三部分，其中伞骨又包含长伞骨和短伞骨，在伞柄上端还有竹跳，用于控制伞的收缩。在和科学老师的探讨后，我决定就油纸伞的开合结构和支撑能力两方面进行探究。让我们先来看看开合结构吧。
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探究一：开合结构
油纸伞的开合结构是它与普通雨伞的最大区别所在。我分别绘制了二者完全撑开时沿其中一对伞骨的剖面简图和其中的受力分析，显而易见，它们最大的区别在于有无弹簧撑开伞面。现代的伞在弹簧的作用下能很轻松的实现伞的收放。那么在千年前，弹簧还未问世之时，油纸伞又是如何开合的呢？
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这就不得不提到竹跳了。通过上网观看相关的纪录片，我了解到竹跳是一种纯竹制呈三角形的机关，相传是由鲁班妻子云氏所发明，一直沿用至今。其尾部削成弯曲状，利用竹子自身的弹性原理与削成弯曲形状的弹动原理，实现自由跳动，构成了大家肉眼无法觉察到的“弹簧”。相比于普通的弹簧，竹跳更是有过之而无不及，它既不容易损坏，也不会生锈，大大提高了油纸伞的使用寿命。
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除此之外，我还发现长伞骨AO（或BO）可看作一个杠杆，其重心D为阻力点，短伞骨与长伞骨的接触点A为作用点。根据杠杆的平衡条件F1l1=F2l2，其中F2，l2不变，那么当l1最大时，即当CF垂直于AO时，F1最小。让我实践来验证一下吧。
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果然，当短伞骨与长伞骨垂直时，弹簧测力计示数最小。
2024.8.22，阴转晴，26-36℃
探究二：支撑结构
油纸伞的伞骨虽然是由竹子所制成，但其承重能力和稳定性却丝毫不逊于用新型复合材料制成的普通雨伞。这是为什么呢？对此，我设计了“影响油纸伞承重能力和稳定性的因素”的实验方案，展开了探究实验。
我的猜测：
- 材料会影响油纸伞承重能力
- 结构会影响油纸伞承重能力
1.材料探究
伞骨需要的材料需要坚硬而有韧性。为什么传统油纸伞都选用竹子制作伞骨而不是木头?竹子的品种、年龄又会对伞骨韧性产生什么影响
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实验材料：三年竹龄的毛竹、六年竹龄的毛竹、六年竹龄的刚竹、木头、弹簧测力计
实验过程：
- 1.分别将竹子和木材砍成相同长度、宽度、厚度的竹片(木片)
- 2.将它们的一头固定在桌子边缘，使伸出桌子的部分长度相同
- 3.用弹簧测力计竖直向下拉动竹片(木片)，记下竹片(木片)断裂时弹簧测力计的示数
- 4.换用其他长度的竹片(木片)重复实验，整理数据并得出结论
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据实验数据，可得出以下结论：
- 竹子比木头韧性更好
- 竹龄越大，韧性越好
- 毛竹比刚竹韧性更好
因此，制作油纸伞伞骨时，应选用竹龄较大（最好是5年以上）的毛竹。
那么为什么竹子的韧性远远好于木头呢？我观察并绘制了毛竹茎横切面的微观结构。可以看到竹子的纤维结构非常紧密，这种结构使得竹子具有很高的硬度和韧性。结合课外阅读的收获，我还了解到竹子的枝干分节，使其分生组织不只是在顶端，而是在每个竹节都有的，所以竹子在生长的时候并不是顶端一个部位生长，而是每节都在同时生长。这种生长方式使得竹子在面对外界压力时，能够更好地分散力量，从而表现出更好的韧性。我们智慧的祖先也正是发现了竹子韧性好这一特性，才选用它制作油纸伞伞骨，为油纸伞优秀的承重能力打下坚实的基础。
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2.结构探究
进一步观察油纸伞结构，我认为影响油纸伞承重能力的因素可能有：
1.长伞骨与短伞骨长度之比
2.完全撑开时，短伞骨与伞柄夹角角度3.完全撑开时，短伞骨形成的圆的半径与伞面半径之比
实验材料：若干小型油纸伞模型、细线、钩码
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实验一：长伞骨与短伞骨长度之比
实验过程：
1.制作三个油纸伞模型
2.将三条细线均匀系在伞骨上
3.在细线上逐渐添加钩码数量，直至伞骨无法承受断裂，记录此时钩码数量
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根据数据，可以初步得出当长伞骨与短伞骨长度之比为5：3时，承重能力较佳。但仅仅实验了三组是完全不够的。于是我又改变长伞骨与短伞骨长度，重复实验，增强结论的普遍性。实验数据如下：
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可以大致得出当长伞骨与短伞骨长度之比接近2：1时，承重能力较佳。但要得出绝对的结论，还需要探究更多组不同比值长伞骨与短伞骨的油纸伞的承重能力。
实验二：完全撑开时，短伞骨与伞柄夹角角度
记夹角为∠α，实验步骤如上。
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发现一定程度内角度越大，承重能力越好。
实验三：完全撑开时，短伞骨形成的圆的半径与伞面半径之比
记短伞骨形成的圆的半径为r，伞面半径为R，实验过程如上。
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初步得出当r:R为1：2时，承重能力较佳。同实验一一样，普遍规律还需要进一步实验得出。
伞面探究
所谓油纸伞，其最大的特点自然在于用纸制作伞面防雨。但是在我们的生活常识中，纸却是怕水的。那么，是什么神奇的科学原理让油纸伞的纸实现了防水效果？
2024.8.26，多云转晴，25-35℃
探究三：纸张探究
我选用三种纸张——棉纸、普通白纸和卫生纸，比较它们中哪种纸更适合作为油纸伞伞面的材料。
实验一：渗水性探究
作为伞面，纸张最重要的作用还是防雨。因此我决定测试三种纸的渗水性。
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实验材料：棉纸、普通白纸和卫生纸、增高架、水槽、清水、计时器
实验过程：
1．将三种纸裁剪成15cm×20cm的纸片（厚度差异忽略不计）
2．将增高架放入水槽中，将绵纸纸放在增高架上
3．取20ml清水，倒在纸上，同时开始计时水完全渗过纸的时间
4．记录数据，重复实验
5．换用普通白纸和卫生纸重复上述实验6．分析数据，得出结论
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可以发现，面积相同时，棉纸渗水速度较慢，普通白纸次之，卫生纸最快那么，是什么原因造成棉纸和卫生纸渗水性差距如此之大呢？会不会与它们的微观结构有关呢？
我通过显微镜观察了棉纸和卫生纸的微观结构。看，卫生纸的纤维结构疏松，且孔隙率极高，水分子能轻易进入；而棉纸纤维排列紧密，空隙较小，也就不容易渗水。
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实验二：韧性探究
除了防雨，拥有较好的韧性，保证伞面结实牢固，防雨抗风也是重要的一点。让我们来看看哪种纸的韧性更好吧。
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实验材料：棉纸、普通白纸和卫生纸、弹簧测力计
实验过程：
1.将三种纸裁剪成5cm×20cm的长条纸片（厚度差异忽略不计）
2.将棉纸对折，用弹簧测力计在对折处沿纸张反方向牵拉，记下纸张破裂时弹簧测力计示数
3.重复实验，取平均值
4.换用普通白纸和卫生纸重复1~3步
5.分析数据，得出结论
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发现当面积相同时，棉纸韧性较好，普通白纸次之，卫生纸最差
实验三：密度测试
伞面是否轻便也是十分重要的一点，我决定测量三种纸的质量。不过单张纸的质量极小，难以用天平直接量出，这可怎么办呢？我想到课本内的一个实验，通过测量多张纸叠起来的厚度，再除以数量，就得到了单张纸的厚度，这就是“累计法”。以此类推，测量单张纸的质量也可以这么做。
实验材料：若干张面积相同的棉纸、普通白纸和卫生纸、天平
实验过程：
1.将天平调平
2.在天平左侧放上20张棉纸，测出其质量为5.6g
3.计算m棉纸5.6g÷20张=0.28g，即单张质量为0.28g
4.测量并计算普通白纸和卫生纸的质量，分别为m白纸7.4g÷20张=0.37g、m卫生纸4.8g÷20张=0.24g
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得出m卫生纸＜m棉纸＜m白纸
实验四：比热容探究
油纸伞的作用不仅有防雨，有时还会用于防晒。此时伞面在单位时间升高的温度，也就是纸的比热就十分重要了。今天刚好是晴天，就让我们把纸放在太阳光下吧。
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实验材料：若干张面积相同的棉纸、普通白纸和卫生纸、红外线温度计
实验过程:
1.将三种纸平放在阳光下，使它们能均匀的被阳光照射
2.每隔10分钟用红外线温度计测量纸张温度并记录数据
3.重复6次，整理数据并得出规律
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我发现卫生纸升温最快，棉纸次之、普通白纸最慢。
实验五：透气性探究
较好的透气性，能防止油纸伞在闲置时发霉或腐烂。不过，我没有专业的透气性检测仪，该如何测试纸张的透气性呢？我决定通过间接观察比较三种纸的透气性。我想到化学课上二氧化碳通入澄清石灰水(即CaOH的水溶液)使其变浑浊的实验(化学方程式：Ca（OH）2+CO2= CaCO3↓+H2O)，如果将纸盖在装有澄清石灰水的烧杯上，观察相同时间内产生沉淀的多少，便能比较出三种纸的透气性。
但是，空气中的二氧化碳含量较少，使实验需要大量时间。可以通过制取二氧化碳来加快实验。科学课本上通过碳酸钙加稀盐酸制取二氧化碳(化学方程式：CaCO3+2HCl=CaCl2+H2O+CO2↑)，我想到家中的鸡蛋壳的主要成分就是碳酸钙，白醋呈酸性，可以用它们制取二氧化碳(化学方程式：2CH3COOH + CaCO3 → (CH3COO)2Ca + H2O + CO2↑)。
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实验材料：若干张面积相同的棉纸、普通白纸和卫生纸、鸡蛋壳、白醋、澄清石灰水、烧杯、水槽
实验过程：
1.在三个烧杯中加入等量澄清石灰水，分别盖上棉纸、普通白纸和卫生纸
2.将鸡蛋壳掰成小块放入烧杯，再倒入白醋
3.将水槽倒扣在桌面，盖住四个烧杯
4.一段时间后，观察烧杯中的沉淀情况
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可以看到盖棉纸的烧杯中白色沉淀最多，卫生纸次之、白纸最少。因此得出结论：棉纸透气性较好、卫生纸次之、白纸最差。
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综合比较后，可以得出棉纸较适合作为制作油纸伞伞面的材料。
2024.8.31，多云转晴，25-36℃
探究四:油的探究
纸的渗水性实验中，我们可见即使是防水效果最优的棉纸也不能做到完全防水。那么油纸伞是如何做到防雨的呢？这就不得不提到它的第二个秘密——油。记得非遗体验馆的讲解老师和我说过，在伞面制作完成后，匠人们们会在上面刷上一层薄薄的桐油，等到自然风干后，油纸伞就可以达到较好的防水效果了。联系已经学过知识，油的表面张力大，能在纸的表面形成一层疏水模，阻止水分子进入。不过为什么古人会选用桐油涂抹在纸面上呢？它有哪些独特的性质呢 ？
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让我们先来观察一下桐油。熟桐油是澄清透明的液体，呈深咖啡色，有光泽，扇闻有特殊气味，质地较粘稠。再用量筒和烧杯，通过密度公式ρ=计算得出其密度约为0.94g/ ml。
网上资料显示，“桐油是一种优良的带干性植物油，具有干燥快、比重轻、光泽度好、附着力强、耐热、耐酸、耐碱、防腐、防锈、不导电等特性，用途广泛……”我决定就其中干燥快、防锈、耐酸三个特性进行探究。
实验一：干燥速度探究
我选用普通的食用油和桐油，比较它们在相同环境中干燥的快慢。
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实验材料：10ml桐油，10ml食用油，两张相同面积的棉纸，两张相同面积的白纸，刷子，秒表
实验过程：
1.分别在两张棉纸上均匀的刷上桐油和食用油，尽量保持涂抹面积相同，同时开始计时
2.将两张纸挂在阴凉通风处
3.记录油完全干燥所用的时间
4.换用白纸重复实验
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我发现，不论是在棉纸还是白纸上，桐油的干燥速度都较快，而食用油始终无法完全干燥。我还发现，涂抹桐油的纸张不仅防水，韧性也更加好。
实验二：防锈探究
金属氧化反应，也就是我们常说的生锈。根据生锈的条件：金属、与氧气接触、与水分接触，我设计并开展了以下实验。
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实验材料：3ml桐油，3ml食用油，三个大小相同的铁钉、刷子，三个烧杯，清水
实验过程：
1.用刷子在两个铁钉上分别涂上食用油和桐油，等待它们干燥，另一个铁钉不做任何处理
2.将三个铁钉分别放入三个烧杯中，并各加入50ml清水，使之没过铁钉一
半3.将烧杯放在阴凉通风处，等待三天，并每天记录铁钉的生锈情况
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三天后，可以明显看见对照组的铁钉严重生锈，食用油组的铁钉有些许生锈，其水面上浮有些许油，桐油组的铁钉完全没有生锈。其原理就在于桐油干燥后形成一层薄膜，阻断了铁钉和水、空气的接触，从而阻止铁钉生锈。而食用油虽然能有同样的作用，但由于其难以完全干燥并形成油膜，而使铁钉上出现些许铁锈。
实验三：耐酸性探究
酸性物质都具有一定的腐蚀性，于是我决定通过比较涂或不涂桐油的木棒在酸性液体中的腐蚀情况证明桐油的耐酸性。
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实验材料:适量桐油、四根粗细、长度相同的木棒、稀硫酸、白醋、烧杯、量筒、表面皿、pH试纸
实验过程：
1.用刷子在两根木棒上涂上桐油，等待干燥，
2.用pH试纸测量稀硫酸和白醋的pH，分别为2、4
3.在烧杯中分别倒入等量稀硫酸和白醋，并分别放入一根涂过桐油的木棒和一根未涂过的
4.等待一段时间，观察木棒腐蚀情况
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但是在近一天的等待后，所有木棒均没有被腐蚀的情况。我猜测是所用的硫酸浓度较低，腐蚀性较弱，白醋的腐蚀性就更低了。那要通过观察什么来比较桐油的耐酸性呢？我想到课内学过的一条化学方程式:Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑铁和稀硫酸反应生成氢气，可以通过这一反应观察桐油是否具有耐酸性。让我来试试吧。
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实验材料:适量桐油、四根长度相同的铁钉、稀硫酸、白醋、烧杯、量筒、表面皿、pH试纸
实验过程：
1.用刷子在两根铁钉上涂上桐油，等待干燥，
2.在烧杯中分别倒入等量稀硫酸和白醋，并分别放入一根涂过桐油的铁钉和一根未涂过的
3.等待一段时间，观察反应情况可
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可以看到，未涂桐油的铁钉在液体中均产生气泡，其中在稀硫酸中更为明显，而涂了桐油的铁钉未产生气泡。由此可见桐油具有耐酸性。
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2024.9.8，小雨转雷阵雨，25-33℃
总结与展望
油纸伞，作为中国传统文化的瑰宝，其制作工艺之繁复、图案之精美、寓意之深远，无不彰显着古代劳动人民的智慧与匠心。每一把油纸伞的诞生，都是匠人对手工艺极致追求的体现，它不仅仅是一件避雨的工具，更是承载着文化记忆与艺术审美的艺术品。在探究过程中，我被这种代代相传、精益求精的工匠精神深深打动，它让我意识到，非遗文化不仅仅是历史的遗留，更是民族精神的活化石，值得我们每一个人去珍视、传承与创新。
此次探究，从体验馆的实践学习，到工业制作了解，再到油纸伞的伞骨与伞面实验，每一步都充满了挑战与惊喜。通过动手实验、查阅资料、与专业老师交流，我深刻体会到科学探索的艰辛与乐趣。它教会了我如何运用科学方法去分析问题、解决问题，更重要的是，它激发了我对未知世界的好奇心与探索欲。
非遗文化与科学，看似两个截然不同的领域，实则紧密相连、相互促进。非遗文化中蕴含着丰富的科学智慧，如油纸伞的防水技术、竹编结构的力学原理等，都是古代科学知识的结晶。而现代科学的进步，又为非遗文化的保护与创新提供了强有力的支持。例如，通过数字化技术记录非遗技艺、利用新材料改进传统工艺等，都是科学助力非遗传承的生动实践。因此，我认为，非遗文化与科学应当相互融合、共同发展，共同推动人类文明的进步。
油纸伞的探究让我深刻认识到，科学并非遥不可及的高深学问，而是深深植根于我们的日常生活之中。从一把小小的油纸伞，到身边的每一个物件、每一个现象，都蕴含着丰富的科学原理。只要我们保持一颗好奇的心，用科学的眼光去观察世界，就能发现生活中的无限可能。
我相信，只要我们保持对未知世界的好奇心与探索欲，面对困难与挑战时，像在风雨中顽强坚韧的油纸伞一样勇敢面对，勇于将科学精神融入生活与传承之中，就一定能在未来的科学探索之路上走得更远、更稳。
