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字载匠心|指南车,以齿轮“驾驭”方向

2026-06-11 18:10:27 来源:海信正阳中心新闻网   

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原标题:中国古代“自动化”——

指南车,驾驭以齿轮“驾驭”方向(字载匠心·惊艳时光的字载指南中国智慧)

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在中国科学技术馆“华夏之光”展厅,一台指南车静静立在展台。匠心南湖新闻网黄可婧观众手握手柄,车齿推动指南车,轮方车子左转右转,驾驭其上的字载指南人偶却始终指着同一个方向。在现代人看来,匠心这个装置很是车齿平常,然而对古人来说,轮方它却称得上是驾驭颇为超前的机械装置发明。

指南车的字载指南缘起与发展

提起指南车,不得不提起黄帝大战蚩尤的匠心故事。相传,车齿双方战于涿鹿,轮方蚩尤造出漫天浓雾,令黄帝及其军队迷失了方向。一筹莫展之时,黄帝手下一个名叫“风后”的部下提议制造指南车。靠着指南车,黄帝率领军队辨别方向、杀出重围,一举击败蚩尤。

读到这个故事,南湖新闻网黄可婧现代读者肯定会意识到,当时的条件恐难制造指南车,这是传说,并非信史。在古代,关于指南车的发明也确有争论。

《三国志·魏书》就记录过这样一个故事,三国时期的魏明帝时,给事中马钧与常侍高堂隆、骁骑将军秦朗在朝堂上争论,后二者认为此前并无指南车,马钧却不这么看。高、秦二人向明帝秉明后,下诏令马钧制作指南车。于是马钧奉旨将其制造出来。

“又不可以言者也,从是天下服其巧矣”,《三国志·魏书》记载,马钧造指南车的精妙难以形容,从此天下人都佩服他手巧。中国科学技术馆助理研究员戴逸华指出,史籍中关于指南车发明较为明确的记载就是这条史料。可惜,这一具有实用性的工巧并未得到相应重视。据史料记载,西晋末年,马钧制造的指南车遗失了。

幸运的是,各个政权对指南车兴趣不减,不少人都在尝试复原指南车。

在北方,十六国时期的后赵君主石虎、后秦君主姚兴都曾命令臣子制造指南车。417年,南朝刘宋的武帝刘裕灭后秦,得到了指南车。据记录南朝刘宋历史的《宋书》记载,这个指南车“设木人于车上,举手指南。车虽回转,所指不移”,车上有个木人,手指向南

方。车子转向了,但木人手指方向不变。《宋书》转而又说,“机数不精,虽曰指南,多不审正。回曲步骤,犹须人功正之”,即刘裕获得的指南车,制造技术不够精密,虽能指南,大多时候却无法准确指正,在转弯或调整步伐时,仍需依靠人力校正。

到北魏时期,太武帝拓跋焘执政,马岳也曾奉命制成指南车。

在南方,南朝刘宋顺帝刘准在位时,后来的南齐开国君主萧道成辅政,他派祖冲之按古法重制指南车。《南齐书》讲,祖冲之“改造铜机,圆转不穷,而司方如一”;《宋书》则记载,“其制甚精,百屈千回,未尝移变”。也就是说,祖冲之以铜制指南车,无论如何转动,都始终指向同一个方向。

北宋年间,宋仁宗天圣五年(1027年),工部郎中燕肃制造指南车;宋徽宗大观元年(1107年),内侍省官员吴德仁又对燕肃指南车进行改良。他们所造指南车的内部构造,被较为具体地载入《宋史·舆服志》,这也有助于后世对指南车内部结构和机械原理有更多的了解。

王振铎著《科技考古论丛》中的指南车内部结构图。(资料图片)

“先启之乘”的威仪象征

为什么许多君主都想拥有指南车?

不妨先看史料对指南车外形的形容。《晋书》写道,“驾四马,其下制如楼,三级;四角金龙衔羽葆;刻木为仙人,衣羽衣,立车上”,指南车以四匹马为牵引,车厢部分有如楼阁,分为三层;车厢四角有金龙衔着鸟羽装饰的华盖;木制仙人身穿羽衣,站在车上。

《南齐书》的记录略有不同,指南车由牛牵引,身披天衣的木制仙人站在布幔遮盖的车厢里。车顶四角都立有龙子竿,悬挂着孔雀尾羽,车轮漆着彩色,以铜为装饰。二者对指南车的形容虽有出入,但相同的是,指南车外形十分华丽。

《晋书》接下来又写,“大驾出行,为先启之乘”。而《宋书》曰,“大驾卤簿,最先启行”。“大驾”和“卤簿”都是指皇帝出行的车马仪仗,因此这两句话是说,皇帝出行的仪仗队列当中,指南车最先启动出发。

想象一下,一辆华美气派且有“仙人指路”的指南车行驶在仪仗最前面,尽显帝王的威仪尊严。许多历史学者认为,拥有指南车不仅是为了延续这项制造技术,更是希望借此宣扬朝廷自身的正统与皇权。

同济大学教授、科技史学家陆敬严曾说,指南车不用来实测方向,更不用于引导实战,这就导致它的外形可以豪华精致而尺寸庞大,且对定向准确和操纵简便的要求不高;甚而至于,复杂的操作反而可以增添皇家的威严与排场。

中国科学技术馆“华夏之光”展厅的指南车。戴逸华摄

展现中国古代科学智慧

虽说古代皇家出于自身考虑才制造指南车,但对后世而言,它的运行机制无可辩驳地展现了中国古代机械技术的卓越成就。戴逸华表示,与仅有一字之差的“指南针”不同,指南车指向南方依靠的不是地磁效应,而是齿轮传动系统。由于史料中缺乏图形,考古亦没有发现指南车实物,因此一段时间里,大家只知指南车内部有数个大小和齿数不同的齿轮,具体运行原理众说纷纭。根据史料,学者们提出了多种复原方案,总体分为定轴轮系和差轴轮系,两者原理也略有出入。

定轴轮系指南车是指车转弯时,要固定一个车轮不动,整车以该车轮为圆心进行转动。不动的车轮一侧,足轮不转动,更不通过小平轮传动至其他齿轮;转动的车轮一侧,足轮随之转动,并通过小平轮等结构传动至大平轮,保证木人与车身转向相反、转角相等,使木人始终指向同一方向。《宋史·舆服志》记载的指南车就是这种结构。

20世纪30年代,文博专家、科技史专家王振铎率先复原了指南车。后为准备原中国历史博物馆陈列,他在修正原方案的基础上制作了指南车模型。戴逸华表示,这个模型就属于定轴轮系指南车。目前,中国很多博物馆都采用了王振铎的定轴轮系指南车方案。

所谓差轴轮系则是指南车转弯时,不需要固定一个车轮,相对于定轴轮系指南车指向更准确、易于操作。但戴逸华指出,这主要是基于现代学者的合理想象,目前还没有发现明确的史料依据。“2017年以前,中国科学技术馆也制作了定轴轮系指南车模型,由于车体安装误差、车轮转动打滑等,长时间会出现指南偏差。2017年后,我们采用现代差动轮系结构制作金属指南车,观众可以用手拉动模型,在展台上转动,透过透明车厢观察齿轮运动情况,了解原理。”戴逸华说。

不过,不论真正的指南车是定轴轮系还是差轴轮系,这套基于机械自身运动的系统都体现了超前性。正如著名科技史专家李约瑟所言,指南车是人类历史上走向控制论机器的第一步。工业革命以来,自动控制设备开始在西方涌现,但回望中国古代历史,这种先进的理念早已在指南车当中孕育。

更难能可贵的是,在中国历史上诸多朝代对指南车的“摧毁”与“重构”中、在近代以至当代各领域专家对指南车的复原讨论中,中国人对历史事实的严谨探寻和对应用实践的热情始终熠熠发光。

这也映照出了当今我国工程机械行业的奋进之路:今天,自动化已成为机械的“必选项”,随着新技术动能注入,工程机械行业持续优化升级,中国工程机械正在从“中国制造”迈向“中国创造”——技术不断发展,求索永无止境。

统 筹:李 舫 张意轩

策 划:钟金叶 赖 睿

动画设计制作:李 栋

学术支持:陈 朴 戴逸华

版式设计:王隽姝

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