平子讲堂丨机械制造之指南车-南阳市张衡博物馆

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善刻削之尤巧者，则谓之木圣，故张衡、马钧于今有木圣之名焉。

——晋·葛洪·《抱朴子》

指南车，又称司南车，是中国古代用来指示方向的一种自动机械装置。与指南针、司南利用地磁效应不同，它利用差速齿轮原理，也就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。关于指南车的最早发明人历史记载不一。

▲张衡博物馆陈列的指南车复原模型

西晋崔豹所著《古今注》中记载了这样一则传说：黄帝和蚩尤作战三年，进行了72次交锋，都未能取得胜利。在一次大战中，蚩尤在眼看就要失败的时候，请来风伯雨师呼风唤雨，给黄帝军队的进攻造成了极大困难。黄帝也急忙请来天上一位名叫旱魃的女神，施展法术，制止了风雨，才使得军队得以继续前进。这时诡计多端的蚩尤又放出大雾，霎时四野弥漫，使黄帝的军队迷失前进的方向。黄帝十分着急，只好命令军队停止前进原地不动，并马上召集大臣们商讨对策。应龙、常先、大鸿、力牧等大臣都到齐了，唯独不见风后，有人怀疑风后是不是被蚩尤杀害了。黄帝立即派人四下寻找，可是找了很长时间，仍不见风后的踪影，黄帝只好亲自去找。当黄帝来到战场上时，只见风后独自一人在战车上睡觉。黄帝生气地说，什么时候了，你怎么在这里睡觉？风后慢腾腾地坐起来说，我哪里是在睡觉，我是正在想办法。他用手向天上一指，对黄帝说，你看，为什么天上的北斗星，斗转而柄不转呢?我们能不能根据北斗星的原理，制造一种会指方向的东西，有了这种东西就不怕迷失方向了。黄帝把风后的这个想法告诉众臣，大家议论了一番，都认为这是一个好办法，然后，就由风后设计，大家动手制作。经过几天几夜奋战，终于造出了一个能指引方向的仪器。风后把它安装在一辆战车上，车上安装了一个假人，伸手指着南方。然后告诉所有的将士，打仗时一旦被大雾迷住，只要一看指南车上的假人指着什么方向，马上就可辨认出东南西北。依靠指南车的帮助，黄帝终于打败了蚩尤。

另据《鬼谷子》记载，指南车为周公首制。当时，因为西周国力强大，远近各部落纷纷遣使向周公进贡，南方一个叫越赏氏的部落也派使者向周公进贡。由于路途遥远，周公担心使者回去时迷路，就造了5辆指南车送给他们，并派了一个叫娄将的人护送他们。在指南车的指引下，使者一年以后回到了故土，而护送的娄将则按指南车所指的相反方向，回到了中土。

当然，这些都只是传说，与史无考。而指南车在西汉时已出现则基本可信。《西京杂记》载：“司南车，驾四，中道”。说明在西汉皇帝的车队中已出现了指南车。然而，大概由于当时的指南车或指南性能不好，或实际作用不大，亦或普及面不广，到张衡时已失传。

《宋书·礼志》云：“指南车，其始周公所作，至于秦汉其制无闻。后汉张衡始复创造，汉末丧乱其器不存。”可见，张衡是在无任何史料和实物的情况下制作出了指南车。虽然张衡的指南车由于“汉末丧乱，其器不存”，其形制、结构、原理我们无法得知，但他曾经制造过指南车是令人信服的，这与张衡所处的时代背景、生产力发展水平、工作职责和研究领域是相符合的。西汉时期，社会稳定，繁荣昌盛，政治、经济、科学、文化得到了全面高度发展。

《西京杂记》里记载着西汉时期许多手工业技术方面的事情。如，巨鹿郡陈宝光妻所用的织“散花绫”的木机，“机用一百二十镊”，已经是相当复杂细致的机械装置了。长安城内有巧工丁缓能制造一种“卧褥香炉”，“为机环转运四周，而炉体常平，可置之被褥”取暖，又制一种“九层博山香炉”，“镂为奇禽怪兽，皆自然运动”，还做成一种“七轮扇，大皆径丈，相连续，一人运之，满堂生风”。考古工作中，从河南、安徽、湖北等地出土了许多西汉时期制造的精美的铜、铁齿轮和轴承，说明那时已经有了齿轮和齿轮系的使用。东汉时期，农业、手工业、机械制造等技术进一步发展，农田灌溉中所用的桔槔技术已相当普遍，就是运用简单机械杠杆原理制成的。

在张衡的家乡南阳出现了水排，并利用转轮、曲柄、连杆活塞等机构，带动“韦囊”鼓风炼铁，大大节省了人力，提高了功效，为进一步改进冶铁炉创造了条件，使我国的冶铁工艺有了划时代的发展。冶铁业的进步，又推动了农业、手工业的发展，对后来的机械制造也产生了深远的影响。在武器中，有一种强弓叫蹶张，它上面装配有“机郭”、“机牙”、“悬刀”等机关，都是应用了齿轮和环纽的配合。日常用具方面，如箱箧上的盖或栓，又如车轮、炉腹、壶鼻、伞柄等物件上面装置了各样的枢纽和连环，有半合式、全开式、连动式、直角运转式等形状，都是灵活地应用了轮轴和滑车的机械原理制成的。这些机械技术、制造工艺的提高，为张衡在机械制造方面的成就奠定了一定的基础，指南车的应运而生也就不足为奇了。

指南车在发展过程中逐渐成为了一种皇家专享的礼仪用具，只有在隆重场合才使用，每当皇帝出行巡游或举办重大活动，仪仗车辂中必不可少。《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，让人躲在车内来操纵。可见有没有指南车关系到皇帝的尊严与体面，很为重要。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。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，宋朝国都南迁后，屡经战乱，无心也无力顾及指南车了。

元朝建立后，少数民族统治中国，并不重视以往的传统，未再进行研制，指南车便从此绝迹。从史书记载还可以看出，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。根据文献记载有姓名、时间的就有十七人之多，所研制的指南车之外形应有继承性，但内部结构各不相同，也可能大有出入。由于指南车的内部结构被认为是重要机密，避免让人知道，这也许是历史上很少古籍涉及指南车内部结构的原因。《宋史》中还记载，后魏时马岳造指南车，“垂成”之时，被人毒杀。

指南车是一个关于方向的自力式自动控制装置，它能利用车子本身转动时的能量，实现保持指向的目的，使用了多系差动齿轮装置,或称加法机构。其原理是当车辆直线行驶时左右两车轮转动角速度相等，差动机构没有输出，车辆转弯时，两侧车轮角速度不相等，这时差动机构输出这个差值，以驱动指示机构。在现代生活中，这种指南工具早已失去了它的地位，但它所运用的差动齿轮系和相对运动的原理，对于后世的机械制造不无启发,在今天的生产生活中仍然发挥着巨大的作用。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，其中有英国学者朗基斯特提出的差动齿轮系机构，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，指南车是人类历史第一架有共协稳定的机械，当驾车人与车辆成一整体看待时，它就是一部摩控机械。

指南车是我国古代伟大的发明之一，也是世界上最早的控制论机械之一。指南车设计的关键在于对自动离合的齿轮系的运用，这种轮系结构相当于现代机械结构中的差动齿轮系统。中国古人远在一千多年前就已经掌握了如此巧妙的机构设计方法，实在令人感到惊叹。指南车充分体现了中国古代机械制造的高超水平，是中国古代力学在实际应用中的卓越成就。西方学者对这项科技发明给予高度评价，称赞它是一切控制机械的蓝本之一，用李约瑟的话说，中国的指南车“可以说是人类历史上迈向控制论机器的第一步”，是人类“第一架体内稳定机”。

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编辑 | 陈枳佑

校对 | 付会军

审核丨黄迎光

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