中國 - 科技 - 指南車及指南針

指南車

指南車概說

    指南車是中國古代的偉大發明之一,相傳為黃帝首創。雖然傳說不可考,但依歷史記載,有關指南車最早之信史記述於「魏書」卷二十九,記載三國時代魏國「馬鈞」製造過指南車。此後歷代皆有成功的重造記錄。

    指南車的用途據說有二種:一種是作戰時用的;一種說法是天子出巡的時候用的。但不管是哪一種用法,都是用來指出方向。

    一般皆認為指南車原本是古代皇帝出巡時用作儀仗的車輛之一。

指南車結構分析

    指南車與指南針是不同的,指南針是磁力的現象,而指南車是機械的發明。指南車本身的機械傳動構造的「差動齒輪組」是使指南車上的小木人能永遠指著固定方向的原因。

    指南車在車廂中間有根直立的長木棍子。棍子頂端有一個木人,不論車子往哪個方向轉,木人永遠都指著同一個方向。

    大齒輪的兩側,各有一個被皮帶牽連著的小齒輪。當車子右轉的時候,就牽動左邊的小齒輪,這個小齒輪就會帶動大齒輪往相反方向旋轉,當車子左轉的時候,也會牽動右邊的小齒輪,這個小齒輪就會帶動大齒輪往相反方向旋轉,就這樣剛好抵消了旋轉的角度,讓木人永遠指著固定方向。這就是指南車的運轉原理。

指南針

指南針概說

    指南針是用磁鐵做成的。早在中國春秋時期,人們已發現磁鐵有吸鐵的功能。指南針是一種指示方向的工具。航海、航空、勘察、探險等都離不開它。在古代,人們戲稱它為『航海的眼睛』。

    發明指南針後,航海便有了「眼睛」。即使到了夜晚的時候,船隻也不會迷失方向。在北宋時航海的人,為了辨識方向,白天看太陽,夜晚看星辰,陰雨天則看指南針。南宋時期,航海已用「針羅」,即是將指南針和羅盤結合在一起使用。

    到了明朝,指南針更顯示它的威力。鄭和七次下「西洋」,其規模之大,時間之長,在當時真令人嘆為觀止。鄭和率領的航隊,計有二萬七千人,分乘六十多艘船隻,船上不僅有羅盤針、航海圖,還有專門測定方向的技術人員。這支船隊先後到過印度支那半島、南洋群島、印度、波斯和阿拉伯等地,最遠到達非洲東岸,途經三十餘國,歷時二十八年。在這樣大規模的遠航中,羅盤針發揮著巨大的作用。

    中國發明的指南針,經阿拉伯人傳到歐洲,這對歐洲航海事業的發展有很大貢獻。歐洲各國的航海家開闢新航路、發現美洲大陸、完成環球航行,指南針都是他們航海中不可缺少的「眼睛」。

指南針的製作方法

    磁鐵的兩端具有不同磁極,一端為N極(北極),另一端為S極(南極)。而地球也是個天然的大磁體。根據「同性相斥,異性相吸」的原理,磁針的N極總是向著北方,而S極則總是指向南方,指南針就是利用磁鐵這種特性製成的。

    戰國時,人們利用磁鐵做成「司南」,這是一種原始的指南針。他們把磁鐵磨成勺子的形狀,勺柄為S極,並將它們放在用青銅或木製的漆盤上,盤子四周刻上方位的線格。轉動司南,勺柄指向南方,而勺口則指向北方。

    北宋時,指南針的製作更加完善。古人們用鋼片做成「指南魚」,並用人工磁化的方法將鋼片變成磁鐵,使它們具有指南的作用,並把它用在軍事方面。

指南針的演進

    早在戰國末期,中國人便已發現磁石並知道它的吸鐵特性。古書<管字>中曾記載:「上有慈石者,下有銅金。」所謂「慈石」就是磁石,可見至少2600年前的管仲時期已經知道磁石的存在了。大約在東漢初年(西元50年左右),人們進一步發現了磁石的指極性後,指南針開始被廣泛使用,到後期更被用作軍事、生產、日常生活、地形測量和交通等方面。

    中國最早出現的指南針叫司南,它在戰國時期已經被普遍使用。司南曾經被多次記載,例如<鬼穀子>中曾說過,鄭人去採玉時一定帶著司南,以免迷失方向。<韓非子>中也有關於司南的記載。此外王充的<論衡>有更明顯的記載:「司南之杓,投之於地,其柢南指。」,可見指南針的使用古時已相當流行了。

    三國時期,又有指南車的發明,只是指南車並不是利用磁石的指極性,而是利用差速齒輪的原理,不論車子轉向何方,木人的手始終指向南方。

    北宋(西元960-1127年)時利用地磁感應法與摩擦傳磁法造出人工磁體,並創製出縷懸法、水浮法等四種指南針。

    西元11世紀,科學家沈括(西元1031-1095年)通過對縷懸法指南針的試驗,首次發現了地磁偏角。沈括在他的著作《夢溪筆談》中還記述了水浮、置指甲上和懸絲等四種指南針的裝置方法。簡單來說是將一枚磁化的小鋼針,放在指甲上、碗邊上運轉,或在中間穿上小段燈草,浮在水碗裡,它都能靈活地指向南方。他的著作使當時的人對指南針有更清晰的認識。

    中國最初用於航海的指南針是一種水浮針。北宋宣和五年(西元1123年)出使高麗的徐競﹐在海上航行時就是使用〝指南浮針〞《宣和奉使高麗圖經》。指南針在使用之初,沒有固定的方位盤。南宋(西元1127-1279年)時,指南針被改進成為羅盤,使磁性指南工具更趨完善;在曾三異的《同話錄》最早提出羅盤的名稱,書中說:〞地螺或有子午正針﹐或用子午丙壬間縫針。〞這裡的〝地螺〞即地羅,是從古地盤向羅盤過渡的名稱。盤的分度襲用古地盤的二十四向,加上兩方位之間的縫針,合而為四十八向。中國在南宋時期,就已經把這種帶有方位盤的指南針用於航海了。南宋鹹淳年間(西元1265-1274年)吳自牧在《夢梁錄》�堸O道:〝風雨冥晦時﹐惟憑針盤而行,乃火長掌之,毫釐不取差誤,蓋一舟人命所係也。〞這是中國航海中使用羅盤的最早記載。

    自南宋至明中葉,中國航海中所用的羅盤﹐都是〝水羅盤〞。所謂水羅盤,是指磁針浮於水面,沒有固定支點的水浮針盤。明初隨鄭和下西洋,在他的《西洋番國誌》自序中曾對這種水羅盤作了記述:〝皆斲木為盤,書刻干支之字﹐浮針於水,指向行舟〞。而水浮法指南針則被用於海船導航,開創了世界航海史的新紀元。自從指南針開始被用於航海後,人們利用了指南針的指向,寫了一本"針經",記載了航線、礁石等位置。

    至明嘉靖年間(西元1522-1566年)又出現一種〝旱羅盤〞,這是指磁針不藉助水的浮力,而用一個支軸的尖端頂在磁針的中部,使磁針可以平衡旋轉的裝置。這種裝置法同前述木刻指南龜的裝置原理基本上相同;而這種旱羅盤是十六世紀從國外傳進來的。

指南針對航海發展的影響

    北宋時,指南針開始應用於航海,十三世紀傳入西歐,從此開啟了歐洲航海的始頁,在新航海路的發現中起了重要的作用,航海家利用它做地理探索而發現新大陸。

    許多具野心的國家,為了不讓與亞洲的通商權被阿拉伯人壟斷,也用它展開海上絲路的開拓,造就許多殖民帝國的產生、及商業版圖在本國之外的擴展,間接導致世界面貌的改觀。


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