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指南车

指南车又称司南车,是中国古代用来指示方向的一种装置。它与指南针利用地磁效应不同,它不用磁性。它是利用机械传动系统来指明方向的一种机械装置。其原理是,靠人力来带动两轮的指南车行走,依靠车内的机械传动系统来传递转向时两车轮的差动来带动车上的指向木人与车转向的方向相反角度相同,使车上的木人指示方向,不论车子转向何方,木人的手始终指向指南车出发时设置木人指示的方向,“车虽回运而手常指南”。

指南车是中国古代指示方向的一种车辆,也作为帝王的仪仗车辆。指南车起源很早,历代曾几度失传几度重制,但均未留下具体结构的资料,可能历代的指南车结构也不尽相同,直至宋代才有较完整的资料。现代以来国内外很多人尝试复原指南车,有几种指南车的复原结构,一种指南车结构采用两轮的差动使斜面轴向顶推带动曲轴转动,带动车上指向木人与指南车转向角度相同方向相反,实现指向功能。这种复原结构具有结构简单指向精确比较符合黄帝战蚩尤时的科学技术水平和历史记载。第二种指南车复原结构,采用在两个车轮上刻画标记,通过标记来知道两个车轮差动了多少从而来判断方向,这种复原结构的指南车行走时不能知道方向,需要车停下来观察车轮的标记才能辨明方向,另外也不符合古籍中“车虽回运而手常指南”的记载。第三种指南车复原结构类型是采用自动离合装置,它利用齿轮传动系统和自动离合装置来传递两车轮之间的差动,实现指示方向,虽然结构比较简单,但存在使用条件严格,指向误差大,实用性差的缺点。第四种是采用差速齿轮原理结构的指南车,虽然指向精度稍好但结构复杂,工艺要求高,不符合古代的科学技术水平,看起来更象是现代发明而不是古代技术的复原。

以上的复原结构中两轮的差动使斜面轴向顶推的结构更加符合黄帝战蚩尤时人们掌握的科学技术水平和历史记载,显示了古代机械技术的卓越成就。

机械式指南车也有它的缺点。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,但在实际中会有地面的坑坑洼洼产生的颠簸使车轮产生空转产生误差。但相信古人所掌握的其他辨别方向的方式例如看太阳看星星什么的与指南车指示方向应该是相辅相成的,历史记载黄帝是在大雾中行军应用的指南车,只要在大雾发生时的行军距离内哪种复原的指南车不发生大的误差,应该就是在指向精度方面比较成功复原的指南车。大雾散去后古人可以用其他方式辨别方向。

所述滚轮22在斜面2302上移动并绕车轴转一周时,使套筒23轴向往复移动,通过杠杆5和连杆6带动曲轴13旋转一周,本实施例中,所述左、右车轮1、26着地点之间的距离等于车轮半径的长度,指南车转向正好转到一周时,两车轮的差动就正好使滚轮22绕车轴转一周,使套筒23轴向往复移动,通过杠杆5和连杆6的传动使曲轴13正好旋转一周。这样指南车转向的角度与曲轴13带动指向物12转动的角度相同,方向相反,保证了仿古指南车在运动过程中其预先设定的指示方向不变。如图一

利用推杆28推动指南车向右转动时,推杆28内端带动弓状体17逆时针旋转,至弓状体17与限位柱Ⅱ31接触,指南车向右转动过程中,通过杠杆5、连杆6的传动,曲轴13由初始状态(曲轴的弯曲段指向车后壁)顺时针旋转,旋转过程中由开始接触柔性弓弦16至挤压柔性弓弦16、最后在到达止点位置(如图2、图3,到达右止点位置)时,柔性弓弦16释放弹力使曲轴13顺利通过止点位置,防止卡住。如图二图三

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?

根据现有考古资料认为中国磁铁的发现时间为公元前三世纪所以记载中最早的黄帝或周公造指南车不可能是采用磁铁指极性原理的结构。另据现有考古资料为据可知,中国齿轮出现的时间,在战国到西汉之间,所以记载中最早的黄帝或周公造指南车不可能是采用齿轮的结构。

所以我们来看看指南车复原研究以来有没有不用齿轮结构还能符合史书中记载的“车虽回运而手常指南”的指南车复原结构呢?

斜面顶推结构的指南车结构简单没有用齿轮,应用斜面,杠杆、曲轴、等技术是五千年前黄帝时代人们可以掌握的技术,而且更加符合历史记载的黄帝指南车的一些线索。

斜面顶推式指南车的内部机械传动比例可以很轻易的通过实验试出来,

古人在生产实践中会发现同样大小的两车轮,当两车轮间的车轴长一些时,以一轮不动为圆心,车原地转向一圈时,另一轮转了二圈。当两车轮间的车轴比上次短一些时,以一轮不动为圆心,车原地转向一圈时,另一轮转了一圈多。这样几次实践就可以知道,当两轮间的轴长是车轮直径的一半时,以一轮不动为圆心,车原地转向一圈时,另一轮转了一圈。也就是这个车转向一圈,两轮间的差动正好一圈。

这样的车转向一圈使斜面探头在斜面上转一圈,推动斜面套筒轴向一个往复,这样一比量这个往复的行程就可以确定曲轴的半径。这个往复使曲轴转一圈,这样车转向一圈带动曲轴也转一圈,它们转向的方向相反,这样保证了无论车怎么转向木人始终指向原来的方向。

所以斜面顶推式指南车不用计算,通过简单少量的实验,就可以知道传动的比例,是五千年前的古人可以有能力做出的指南车。

人们对指南车真实性的普遍怀疑还在于一百多年来人们所复原的其他结构类型的指南车在颠簸的野外道路上行走不长距离就会因为车轮的打滑空转使指向标偏离南方很多失去指向作用。

即使试图用几辆指南车相互效验的方法也不行,因为其他这几种类型的指南车,几辆车前后走过相同的道路,受到相同的颠簸影响,指向标会相同的向左或向右产生误差偏离南方,没办法相互效验。

而斜面顶推式指南车可以通过至少两辆指南车相互效验的方式克服地面颠簸产生的误差。以下是具体方法

该克服地面颠簸引起的误差的指南车使用方法,包括如下步骤:

1)、准备两台结构相同的指南车

如图1所示,

每台所述指南车包括车体4、插装配合且轴心线重合的左、右半轴2、19、分别固定于左、右半轴2、19一端的左、右车轮1、26、与左半轴2采用键配合并可轴向移动的套筒23、支撑于车体4上的杠杆5、立设于车体4上的曲轴13和连接于曲轴13与杠杆5之间的连杆6、设于曲轴13顶端的指向物12,所述杠杆5一端与套筒23的圆环形端面相接触,另一端与配重物11连接,所述套筒23的另一端为斜面22,所述右半轴19另一端部固定有轴套20,所述轴套20边缘设有推动套筒23往复轴向移动的斜面探头21,所述斜面探头21在斜面22上移动并绕车轴运动一周时,通过杠杆5和连杆6带动曲轴13旋转一周;所述左、右车轮1、26着地点之间的距离等于车轮半径的长度;车辕27与指南车两轮对称中心线重合并指向前方;在所述套筒23的斜面22边缘标出斜面的顶点,底点和两个中间点位置,且斜面22边缘其余位置均等标出刻度;在指南车车体4上表面设置带有刻度的圆盘32,所述指向物12的立杆穿过圆盘32的圆心位置,在圆盘32上过圆心与车轴平行画线,过圆心与车轮平行画线,圆盘32上其他地方均等画刻度,所述指向物12指向圆盘刻度。

2)、指南车出发前设置

如图4、图5所示,

首先,保证两台指南车的指向物12和车辕27都相互平行且共同指向南方,其中一台指南车A出发前斜面探头21对准套筒的斜面22中间点,设置使右车轮26向前空转时会带动斜面探头21相对向斜面22下坡方向运动,另一台指南车B出发前斜面探头21对准套筒斜面22的另一个中间点,设置使右车轮26向前空转时会带动斜面探头21相对向斜面22上坡方向运动;两台指南车A、B在行驶方向前、后布置。

3)、出发

出发后两台指南车A、B前后向同一方向前进,走过相同的车辙印,受到相同的颠簸影响,

如图6所示,

当走在前面的指南车A的左车轮1受到颠簸,带动套筒斜面22相对右车轮26带动的斜面探头21向前空转时,斜面探头21相对向套筒斜面22上坡方向运动,由于受到斜面阻碍,使左车轮1不会实际发生向前的空转,不会产生误差。

如图7所示,

当走在前车车辙印中的指南车B的左车轮1受到与前车同样的颠簸时,带动套筒斜面22相对右车轮26带动的斜面探头21向前空转时,斜面探头21相对向套筒斜面22下坡方向运动,不受到斜面阻碍,使左车轮1会实际发生向前的空转,产生误差。

接下来,两车继续前行,

如图8所示,

当指南车A的右车轮26受到颠簸带动斜面探头21相对于左车轮1带动的套筒斜面22向前空转时,斜面探头21相对向套筒斜面22下坡方向运动,不受斜面阻碍,因此右车轮26会实际发生向前的空转,产生误差;因此这辆指南车受到颠簸影响使指向物只向右偏离南方。

如图9所示,

当走在前车车辙印中的指南车B的右车轮26受到与前车同样的带动斜面探头21相对于左车轮1带动的套筒斜面22向前空转时,斜面探头21相对向斜面22上坡方向运动,受到斜面22阻碍右车轮26不会实际发生向前的空转,不会产生误差;因此,指南车B受到与前车同样的颠簸影响后使指向物只向左偏离南方。

两台指南车A、B行走一段距离后如果两台指南车的指向物12没有如出发前那样相互平行指向一个方向而是存在夹角,这说明受地面颠簸影响产生了指向误差。

4)、消除指向误差

调整两台指南车A、B使两台指南车的车辕27相互平行并指向两台指南车指向物12夹角的对称中心线方向,这时两台指南车斜面探头21到套筒斜面22中间点的距离是相同的,分别将两台指南车的一只车轮略微抬起转动,使两台指南车的指向物12都指向两个指向物夹角的对称中心线方向,斜面探头21又重新指到套筒斜面22的中间点,再将车轮轻轻放下,这样指向物12又重新指向出发时所指向的南方。

所以斜面顶推式指南车是唯一可以在野外道路上实际应用的指南车复原结构,符合了华夏的人文始祖黄帝战蚩尤的历史记载和周公(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,为他们引路的历史记载。

综上所述 :斜面顶推式指南车在结构上应用的技术是黄帝战蚩尤时期人们已经掌握的技术;在内部机械传动比例上是当时的人们不需要通过计算,通过简单少量的实验,就可以知道传动的比例;在野外的道路上可以实际应用在较长距离的行走而不发生大的偏差。

所以唯有斜面顶推式指南车真正复原了黄帝战蚩尤和周朝的指南车。

有以下几点意义

1.启迪科学思想。

2.证明5000年前黄帝指南车是真实存在的。证明中国迈入文明的时间不晚于创造金字塔的古埃及。

3.增强民族自信心和自豪感。我们的祖先5000年前就发明了如此精妙的机械,证明了中国人在机械领域是有能力的。

4.证明中国的历史记载言之凿凿,早就将神话和真实发生的事情区分开来,想象的东西是不会记载在历史里的。

另一种在两车轮上刻画标记来知道两轮差动了多少的复原结构的指南车,也比较简单也符合黄帝战蚩尤时的科学技术水平,但是车上没有指向木人行走时不能知道方向,不尽符合历史记载的黄帝指南车有指向木人能时刻知道方向。

黄帝和周公指南车的后世朝代也有许多关于指南车的记载。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》中记载了宋代两种指南车,对指南车的具体结构和各齿轮大小和齿数都有详细记载。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。

还有两种应用齿轮的指南车复原结构类型:一种利用齿轮传动系统和自动离合装置,一种是采用差速齿轮原理结构的指南车。这两种复原结构的指南车,复原的只可能是齿轮出现以后的朝代所记载的指南车。 [1]

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(GLanchester)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。

指南车出现以后,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。这些都体现了当时对指南车的高度重视。

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。

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。

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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