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指南车,又称司南车,是中国古代用来指示方向的一种机械装置。它利用差速齿轮原理,它与指南针利用地磁效应不同,它不用磁性。它是利用齿轮传动系统,根据车轮的转动,由车上木人指示方向。不论车子转向何方,木人的手始终指向南方,“车虽回运而手常指南”。

基本简介

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。指南车起源很
指南车复原模型

指南车复原模型

早,历代曾几度重制,但均未留下资料。直至宋代才有完整的资料。它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。
但是,正如永动机不可能成功,机械式指南车也有它解不开的死穴。因为所有机械指南车,都是以两轮之间的“差动”来工作的,它希望两轮与地面作纯滚动,这是一种理想的数学模式,在实际中从来不曾有过。我们知道车轮尺寸会有制造误差,也会有磨损不均,还会有地面的坑坑洼洼。可以这么说,历史上大凡成功复制的机械式指南车,在短时期短距离以及路况相对平整的条件下,会有正确的指向能力。若将试验条件相对放宽,机械式指南车必定会与预期有较大的差异,被历史淘汰也是不可避免的。

工作原理

车箱内部设置有一套可自动离合的齿轮传动机构。当车子行进中偏离正南方向,
指南车原理图

指南车原理图

向东(左)转弯时,东辕前端向左移动,而后端向右(向西)移动,即将右侧传动齿轮放落,使车轮的转动能带动木人下方的大齿轮向右转动,恰好抵消车辆向左转弯的影响,使木人手臂仍指南方。当车子向西(右)转弯时,则左侧的传动齿轮放落,使大齿轮向左转动,以抵消车子右转的影响。而车子向正前方行进时,车轮与齿轮系是分离的,因此木人手臂所指的方向不受车轮转动的影响。如此,不管车子的运动方向是东西南北,或不断变化,车上木人的手臂总是指向南方,起着指引方向的作用。

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
日本指南车复原模型

日本指南车复原模型

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。指
指南车

指南车

南车是中国古代用来指示方向的一种具有能自动离合齿轮系装置的车辆。关于指南车的发明有许多传说和记载。据史书记载,东汉张衡(公元78-139年)、三国时代魏国的马钧、南齐的祖冲之都曾制造过指南车。《宋史·舆服志》中对指南车的结构和各齿轮大小和齿数都有详细记载。
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。

研究制作

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
指南车结构示意图

指南车结构示意图

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。若车子向左拐弯,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。

发明应用

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
日本指南车复原模型

日本指南车复原模型

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,南北朝的刘宋平定关中后,得到一具指南车,做为战利品,但只有外壳,而没有内部的零件。于是皇帝出行时,让人躲在车内操纵,可见有没有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》记载可以知道北宋时肯定有指南车在宋朝国都南迁后,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,便从此绝迹。
因为是皇帝所用,所以指南车的规格很高,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。这种屡废屡制的局面,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。

详细记载

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,但最早的确切记载是在三国时期。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。

历史文献

不过其后又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。《宋史·舆服志》则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。
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