指南车--祖国文化的瑰宝

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司马迁在《史记》中写到大禹治水时有这样一段话：“（禹）陆行乘车，水行乘舟，泥行乘橇。山行乘撵，左准绳，右规矩，载四行，以开九州，通九道”。在这里，司马迁给我们展现了禹带领测量队治水的生动画卷。你看，禹带着测量人员，肩扛测量仪器，准、绳、规、矩样样具备。他们有时在陆地坐车行进，有时在水上乘船破浪，有时在泥泞的沼泽地里坐着木橇，有时穿着带铁钉的鞋登山。由此可见，“准、规、矩”是古代使用的测量工具。     “准”是古代用的水准器。这在《汉书》上就有记载。“绳”是一种测量距离、引画直线和定平用的工具，是最早的长度度量和定平工具之一。禹治水时，“左准绳”就是用“准”和“绳”来测量地势的高低，比较地势之间高低的差别。“规”是校正圆形的用具。“矩”是古代画方形的用具，也就是曲尺。古人总结了“矩”的多种测绘功能，既可以定水平、测高、测深、测远，还可以画圆画方。一个结构简单的“矩”，由于使用时安放的位置不同，便能测定物体的高低远近及大小，它的广泛用途，体现了古代中国人民的无穷智慧。
  
    下面介绍的是古代的测量工具之一：

背景简介
    指南车是祖国文化瑰宝，中国古代科技成果杰出的代表，早已引起国内外学术界的广泛注意，本世纪初即开始了对指南车的研究，使古今学者津津乐道，各说不一。现代研究者更众说纷纭，各执一词，形成了纷繁复杂的局面，为使读者掌握要领，现今将有关情况介绍如下。

1.指南车出现时间

    关于指南车的出现时间，有四种说法：一，西晋崔豹所著《古今注》及《志林》等古籍说黄帝与蚩尤作战时，蚩尤作大雾，黄帝造指南车为士兵领路。二，《古今注》及《鬼谷子》等古籍说周公（即周武王弟）作指南车，是因“越裳氏”来进贡，迷失了归路，周公造“五乘”指南车，为他们引路。三，刘仙洲在所著《中国机械工程发明史（第一编）》中说指南车的发明应以古籍《西京杂记》记载为据，定为西汉。四，王振铎在所著《科技考古论坛》中说“创造指南车者，当以三国时马钧为可信”，并引《魏略》所记来加以证明。如何看待以上四种说法呢？

    从现有资料判断，知指南车的内部结构有两种可能性：利用机械系统之定向性或磁铁的指极性。若以考古资料为据可知，中国齿轮出现的时间，在战国到西汉之间。《宋史》记载了宋代两种指南车的具体结构，可知宋代的指南车肯定是齿轮传动系统，依靠机械传动系统的定向性。则此种指南车出现时间不可能早在齿轮之前，上述所谓黄帝或周公造指南车之说都不能成立，尤其黄帝发明之说更早于车的发明时间。以刘仙洲所说西汉已有指南车较为妥当。至于王振铎主张三国有指南车说，则就更稳妥了，但将这说成指南车出现的时间就保守了些。

    现今虽可知宋代两种指南车的内部结构确是机械系统，与指南针无关，但对其他朝代指南车的内部结构，未见任何古籍及参考资料，也就无法证明其他朝代指南车内部是利用了什么原理。但如指南车利用了磁铁的指极性，而指南车出现的时间不可能早过磁铁的发现，现今认为中国磁铁的发现时间为公元前三世纪，与黄帝与周公发明指南车矛盾。



日本指南车复原模型1



日本指南车复原模型2

2.指南车的发展和应用
    指南车在西汉出现后，许多朝代都有关于指南车的记载，从中可知此后历代都有指南车。皇帝在隆重场合才使用，皇帝的仪仗队中常不可少。《南齐书》中还记述了一件有趣的事，南北朝是的刘宋平定关中后，得到一具指南车，做为战利品，但只有外形，而无内部“机巧”，于是皇帝出行时，使人躲在车内操纵，可见有无指南车关系到皇帝的尊严与体面，很为重要。
    指南车的使用直到宋代，按《宋史》记载可知北宋时肯定有指南车在宋代南迁后，屡经战乱，无心也无力顾及指南车了。宋后，建立了元朝，少数民族统治中国，并不重视汉族以往的传统，未见再研制指南车了，以后就次绝迹。
    指南车在使用期间，规格很高，是因为皇帝所用，车身高大，装饰华美，还雕刻着金龙、仙人。行走时前呼后拥，所用“驾士”相当多，如《金史》就说有十二人驾驶，而《宋史》则说原有“驾士”十八人，后增至三十人。《宋史》中还记载着，后魏时曾有马岳造指南车，“垂成”之时，被人毒杀。这些就决定了指南车很难用于实战。
    从古籍记载还可以看出，由于指南车的崇高地位与特殊作用，一般前朝灭亡之后，指南车也随之毁坏。各种屡废屡制的局面，造成历史上研制过指南车的人相当多根据记载能搞清姓名、时间的就有十五人之多。所研制的指南车之外形应有继承性，但内部结构应各不相同，也可能大有出入，因为指南车的内部结构常被认为是重要机密，避免让人知道，这也许是历史上很少古籍记载指南车的内部结构的原因。各代指南车的内部结构有所不同，甚至有较大不同，或者根本不同都是完全可能的。

3.关于指南车的研制
    现代学者重视指南车，纷纷对之进行研究，局面纷繁复杂而结果多种多样，分歧也较大，这种情况是正常的，体现了百家争鸣的精神，应积极倡导并鼓励人们畅所欲言。

原理简介
    指南车是古代一种指示方向的车辆，也作为帝王的仪仗车辆。
    指南车的发明较早。据传说西周时就已发明，但最早的确切记载在三国时期。有历史典籍显示三国时马钧是第一个成功地制造指南车的人。从三国时开始，历代史书几乎都有指南车的记载，但是都比较简略。直至宋代才有完整的资料，《宋史》中较详细地记载了它的内部结构。《宋史?舆服志》详细地记载了燕肃和吴德仁所造指南车的结构和技术规范，成为世界史上最宝贵的工程学文献。指南车利用齿轮传动系统和离合装置来指示方向。在特定条件下，车子转向时木人手臂仍指南。指南车的自动离合装置显示了古代机械技术的卓越成就。



指南车结构示意图

指南车指南的原理是：在使用时先人为地进行调整，使木仙人的手指向正南。若马拖着辕直走，则左右两个小平轮都悬空，车轮小齿轮和车中大平轮不发生啮合传动，因此木人不转，当然也不会改变指向。若车子向右拐弯，则车辕的前端也必向左，而其后端则必偏右。车辕的这种变化，会使系在车辕上的吊悬两小平轮的绳子发生相应的松紧，从而把左边的小平轮向上拉，但仍使它悬空；而右边的小平轮则借铁坠子及其本身的重量往下落，从而造成了车轮小齿轮和大平轮的啮合传动。若车子向左转９０度，则在转弯时，左轮不动，右轮要转半周。与右轮相连的小齿轮也就转半周（即转过１２个齿），经过小平轮传动到大平轮，则大平轮将以相反的方向转动１２个齿，即１/４周（也即９０度），这样木仙人在和车一起左转９０度的同时，又由于齿轮的啮合传动右转了90度，其结果等于没有转动，所以它的指向仍然不变。车子向右拐弯的情况或其他运动情况的结果可以类推。总之任车子怎么转动，木仙人总能保持它的指向不变。

      燕肃的指南车是一辆双轮独辕车，车上立一木人，伸臂指南。车中，除两个沿地面滚动的足轮(即车轮)外，尚有大小不同的7个齿轮。《宋史·舆服志》分别记载了这些齿轮的直径或圆周以及其中一些齿轮的齿距与齿数。由齿数、转动数，并保证木人指南的目的，可见古人掌握了关于齿轮匹配的力学知识和控制齿轮离合的方法。车轮转动，带动附于其上的垂直齿轮 (称「附轮」或「附立足子轮」) ，该附轮又使与其啮合的小平轮转动，小平轮带动中心大平轮。指南木人的立轴就装在大平轮中心。当车转弯时，只要操作车上离合装置，即竹绳、滑轮(分别居于车左或车右的小轮) 和铁坠子，就可以控制大平轮的转动，从而使木人指向不变，例如，当车向右转弯，则其前辕向右，后辕必向左。此时只要将绕过滑轮的后辕端绳索提起，使左小平轮下落，从而与大平轮离开；同时使右小平轮上升，从而与大平轮啮合，大平轮就随右小平轮而逆转。由于各个齿轮匹配合理，车轮转向的弧度与大平轮逆转弧度相同，故木人指向不变。

      其后，吴德仁鉴于燕肃所制的指南车不能转大弯，否则指向就失灵这一大缺点，重新设计制作指南车。吴德仁指南车基本原理与燕肃一致，只是在附设装置方面较为复杂。他的车分上下两层。上层除木人指南外，绕木人还有二只龟、四只鹤和四个童子。上层13个相互啮合的齿轮就是为它们设的。下层的齿轮装置与结构如前所述，是他发明了绳轮离合装置，以保证车转大弯也不影响木人指向。

      近代，对指南车的研究，受到了国内外学术界的广泛重视，提出了指南车内部结构的各种猜想，其中有英国学者郎基斯特（G·Lanchester）提出的差动轮系机构。大英博物馆中的指南车就是按他的猜想复原制作的。

    李约瑟博士在对指南车的差动齿轮作详细研究后指出：无论如何，指南车是人类历史上第一架有共协稳定的机械(homoeostatic machine) ；当驾车人与车辆成一整体看待时，它就是第一部摹控机械。



大英博物馆复原的指南车模型图



指南车复原模型

知识点：
1、指南车是古代一种指示方向的车辆，也作为帝王的仪仗车辆。
2、西汉指南车已使用了齿轮和轮子等结构形式；
3、指南车已使用了齿轮传动系统；
4、指南车已使用了离合装置；
5、指南车出现表明我国古代已能制造和使用了复杂机构；
6、《宋史·舆服志》详细地记载了燕肃和吴德仁所造指南车的结构和技术规范，成为世界史上最宝贵的工程学文献。
7、指南车利用齿轮传动系统和离合装置来指示方向。在特定条件下，车子转向时木人手臂仍指南。指南车的自动离合装置显示了古代机械技术的卓越成就。

poxiangzi

中国的古代科技发展都走了实证的道路，没有形成科学的体系，不能不说遗憾，这和民族特性相关，无奈中。

葫芦娃

楼主辛苦了

hlchangjia

介绍的很齐全，谢谢楼主

xueyeteng

poxiangzi 发表于 2009-11-6 11:30
中国的古代科技发展都走了实证的道路，没有形成科学的体系，不能不说遗憾，这和民族特性相关，无奈中。

是啊！