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指南针的足迹

人们对生活环境熟悉明确东南西北方向的概念所以才不会迷路假如我们处在没有星辰的夜晚漆黑的荒郊野地人迹罕至的深山密林漫无边际的沙漠烟波浩瀚的海洋应该利用什么来辨别方向呢答案就是指南针

机械结构巧妙的指南车

在发明指南针以前我们祖先为辨别方向发明了指南车相传在四千多年前古代黄帝时期就出现了指南车

那时黄帝的部落与另一个部落联盟发生了战争但那个部落首领蚩尤有会作大雾的妖法使黄帝族士兵因辨不清方向而乱作一团结果打了败仗于是黄帝召集谋士精心研究造出了指示方向的指南车后再次出兵最终战胜了蚩尤

当然这些都只是传说据古书记载我国在春秋时代确实有了指南车此后各朝代也有关于指南车的记载如东汉科学家张衡

三国时魏国的科学家马钧东晋时后赵的魏猛和解飞5世纪初后秦的令狐生9世纪初唐朝的金公立以及11世纪北宋中期的燕肃和吴德仁都先后制造过指南车而南北朝时代的数学家祖冲之曾将一辆只剩外壳的指南车修复如初

古人造车都是自行创制的因此其式样规格大小不可能完全一致如魏国的马钧虽然没有见过指南车但经过巧妙设计自行造出了一架玲珑的指南车后被皇帝所占用历代史书对指南车记载都较为简略并缺乏对具体机械结构设计的记述直到北宋时期的燕肃在公元1027年把指南车献给皇帝时写有呈文详细介绍了指南车的形状和内部构造此事在宋史中有记载据此后人才得知历代指南车的具体结构

燕肃造的指南车是由四匹马拉动的双轮车车上装有长方形的车箱车箱外部装饰为形象生动的雕刻和色彩鲜明的图画车箱内是运用机械传动原理的大小齿轮联动装置大齿轮平放在车箱中间中心矗立着一根杆子其顶端装了一个伸臂指着方向的木人但在使用车辆前须调整好木人所指的方向南方位置

那么指南车的奥秘究竟在何处原来指南车的关键在于齿轮传动机构的设计现代机械制造称差动齿轮系一种能自动离合的齿轮系

当车辆偏离正南方向向左即向东转弯时车辕前端向左移动而右端就向右即向西移动恰好抵消车辆向左转弯的影响使木人手臂所指方向不变如向右即向西转弯时原理亦同若车辆向正南方行驶时车辆和木人下的大齿轮则是分离的因此木人不受车轮转动的影响中国科学技术史稿中评述指南车是古代巧妙的自动化机械结构均很简单构思十分灵巧是我国古代技术的卓越成就

由于指南车看似简单但制造困难而且体积庞大笨重携带和使用十分不便因而实用价值不高发展受到制约可惜由于社会动荡闪烁祖先智慧结晶的指南车这一瑰宝未能完好地保存下来

指极性仪器的探索征程

我国早在春秋时期已有铸铁技术人们在开矿和冶炼过程中对铁矿石的性质逐渐有了认识并在生产实践中发现了磁石能吸铁的特点这在当时及以后的史书中都有记载山海经中写道西流注于泑泽其中多慈石古代曾将磁石称为慈石意为慈石取铁如慈母之招之又如鬼谷子反应篇中明确指出磁石可以吸取铁针

我们祖先不仅发现了磁石的吸铁性还发现它具有指极性如果把一根棒状磁石用线系在中间悬空挂起静止时它的一端指向南方另一端则指向北方因为整个地球是一块大磁铁磁极位于地理南北极附近

早在2200多年前我国已利用磁石的指极性制成了指示方向的仪器司南

战国时期韩非子有度

中记载了用磁石制成司南即指南的事说先王立司南以端朝夕在公元1世纪初东汉初年王充所著的论衡是应中写道司南之勺投之于地其柢指南有关文献也对司南有详尽的记述司南的外观模样像一个汤匙有长柄和光滑勺的圆底放在地盘中一个平面特别光滑的圆盘上地盘呈正方形以铜质或木质材料制成围绕圆盘在地盘上刻着八卦或天干地干以表示方向位置这个汤匙是用磁石磨成的置放在圆盘上可以自由转动待静止时勺柄所指的方向便是南方

司南使用时必须配有地盘即罗盘的前身所以后人把指南针也称作罗盘针然而天然的磁石很不牢固遇到震动和高热容易失磁而且它与地盘接触转动摩擦的阻力又较大难以达到预期的精准指南效果而未被广泛使用

如果将祖先发现磁石看做探索的火把那么司南的发明则是发现的果实我们的祖先不断奋进以执著的信念催生着探索力量到了宋代人们在人工磁化和使用磁针的方法上取得了重大进展催生了指南针的发明和广泛的应用

北宋时期的古书载有制作指南鱼的方法用薄铁叶剪裁长二寸阔五分首尾锐如鱼形置炭火中烧之候通赤以铁钤钤鱼首出火以尾正对子位蘸水盆中没尾数分则止以密器收之这是一种利用强大地磁场的作用使铁片磁化的方法用此法制成的指南鱼会浮在水面上自由转动在它静止下来时鱼头则指向南方指南鱼在携带和使用上都比司南方便而且指向性更好

另一种人工磁化方法为方家以磁石摩针棒则能指南人们发现铁在磁石上研磨也带磁性而且磁化比较稳固这为具有实用价值的磁体指向仪器的出现创造了重要的技术条件

宋代科学家沈括总结了人们长期探索的实践成果

在他所著的梦溪笔谈中阐述了四种磁针的装置与使用方法第一种水浮法即将几小段灯草横穿在带磁的钢针眼上使磁针浮于水面类同指南鱼第二种指甲旋定法和第三种碗唇旋定法分别是把磁针放在指甲上和碗边上使磁针可以灵活转动但它很容易滑落第四种缕悬法即用一小滴黄腊把磁针的中部粘在蚕丝上然后悬挂在无风处针尖会一直指向南方

宋朝末年的陈元靓在事林广记中记载了一种当时流行的指南龟装置将木头刻成鱼或乌龟状将其肚里挖空装置一块天然磁石用黄腊封闭把它浮在水中或支撑在顶端尖滑的竹针上使木鱼或木龟可以自由转动以指南

如今我们日常所使用的指南针以及在交通运输国防军事等领域运用的各类指南仪器尽管结构上更复杂更精密但是其基本原理都离不开中国古代开创的水浮悬挂和支撑这几种方法

指南针最早应用于航海

宋朝指南针的制造水平已趋成熟科学家沈括在梦溪笔谈中指出指南针并不是完全指在正南测算结果显示指南针所指的方向要稍微偏东一些这个偏向叫做磁偏角这是个重要的科学发现比哥伦布远渡大西洋时发现磁偏角要早四百多年

指南针问世后很快被应用于航海公元1119年宋朝朱彧所著萍洲可谈中记载舟师识地理夜则观星昼则观日阴晦则观指南针这是世界航海史上使用指南针的最早记录北宋宣和五年公元1123年徐競奉命从宁波坐船出海去朝鲜在宣和奉使高丽图经中也有描述船上使用的一种采取水浮法的指南针船头船尾各放一只阴雨天就靠它来辨别方向

世上真正的发明几乎都极难一次性完成指南针完善改进的步伐同样没有停止我们祖先经过不断实践创造了把指南针和司南的地盘相结合的罗盘针即罗盘罗盘上刻有准确的方位因此能很方便地辨认航行方向在南宋吴牧所著梦梁录中也说惟凭针盘而行可见罗盘当时已作为航海时的主要仪器了不论昼夜阴晴出海都可以罗盘导航实现了全天候航行

指南针的发明使中国的航海事业达到了世界最高水平广州泉州宁波等都是对外港口公元1281年元代郑震率商船从福建泉州出发经过三个月的航行到达斯里兰卡后来商船凭借指南针多次往返在印度洋上

明代郑和率领两万多人组成的庞大船队共有200多艘船于15世纪初七下西洋指南洋群岛和印度洋一带这支舰队所用的航海仪器包括罗盘测深器和牵星板由观测北极星辰地平高度从而为计算船舶夜间所在的地理纬度的仪器由此可见当时我国已拥有先进完备的航海仪器了

据科技史记载我国在宋元时期对外贸易和海上交通已经很发达通过广泛的贸易交往指南针很自然地传入阿拉伯波斯伊朗等国后又从阿拉伯等国再传入欧洲并且一直使用至今