撰文 | 陳康
相傳指南車成為戰勝蚩尤的法寶
中國古代勞動人民運用聰明智慧，在車輛機械方面取得了重要成就，除了滿足乘坐的交通工具外，其中還不乏許多奇妙的車輛。具有辨識和指示方向功能的指南車，就是其中之一，也讓科學技術史家李約瑟博士稱之為“人類歷史上邁向控制論機器的第一步”。
相傳，在距今約 4600年前的河北省涿鹿一帶，黃帝部落與蚩尤部落進行了一場大戰。戰爭曠日持久，持續 3年，交鋒 72次，都沒有分出勝負。黃帝和炎帝雖然組成聯軍，但依然不是蚩尤的對手。
史書記載，黃帝曾“九戰九敗”。蚩尤部落憑藉其製作兵器的先進技術，銅製兵器精良，士兵勇猛善戰，佔盡了優勢。而黃帝的北方部落削木為槍、捆石成斧，很難抵擋蚩尤部落的尖兵利器。此外，天氣也一直困擾著處於下風的黃帝和炎帝聯軍，濃霧和大風暴雨，經常使得黃帝的軍隊迷失前進方向。
後來，黃帝命風后發明了指南車，憑藉指南車在大霧瀰漫的戰場上指示方向，戰勝了蚩尤部落，生擒了蚩尤。戰爭中黃帝使用指南車辨別和掌握方位，成為戰勝蚩尤的法寶。此傳說流傳很廣，事實上，黃帝部落確實與蚩尤部落發生戰爭，但指南車是否為當時發明，其形制如何，尚無從考證。
構造視為機密而無車輛傳世
還有一種傳說是，中國在西周時發明了指南車，但史書中缺乏對其內部結構、功能原理的詳細記載，多是零星字句。據考證，東漢的張衡、三國時的馬鈞、南齊的祖沖之都曾製造過指南車。後世諸多學者研究指南車出現的時間，觀點各異。學術界認定最早的發明者為三國時期馬鈞，南北朝時期祖沖之等亦造指南車。第一個在史書中留下姓名的指南車機械專家是三國時魏國的馬鈞。《宋史·輿服志》記載，宋代吳德仁於公元 1107年再次造指南車，並較詳細地記載了指南車的內部結構。因為指南車的內部結構常被視為重要機密，因此歷史上很少有古籍記載。據史料記載，宋代以前指南車經歷了“失傳，復原，再失傳，再復原”的漫長曆程，宋代以後指南車再次失傳，其後再無此車輛傳世。
除了在戰場上發揮指示方向的作用外，指南車還作為皇帝御駕出行的一種儀式用車，成為儀仗車輛中的必備。皇帝在隆重場合才會使用，用以顯示皇權的威武與豪華。它是一輛雙輪獨轅車，由馬來拉動，車身高大，裝飾華麗。車上立一木人，木人的一隻手臂平伸向前。開始行駛前需先調整車子，使木人的手臂指向南方，此後無論車子的運動方向如何改變，在齒輪系統的作用下，車上木人的手臂始終指向南方。
中國著名科技史學家王振鐸依據多年研究成果和文獻記載，復原製作了指南車的模型，該模型現收藏於中國國家博物館。
古代機械製造的卓越成就
指南車是我國古代科學家居於世界領先地位的發明。它是利用齒輪的原理製造而成的，這種齒輪傳動類似現代汽車用的差動齒輪，相當於汽車中差動齒輪的逆向使用原理。這表明我國古代已經能夠製造和使用複雜機構，對齒輪傳動的應用居於世界領先地 位。
齒輪傳動是利用兩齒輪的輪齒相互齧合運動傳遞動力的機械傳動，具有傳動平穩、精確的特點，是現代機械傳動中應用最廣的方式。
有復原者研究認為，指南車中的機械定向自動控制裝置，可能利用了斜面頂推或齒輪系統。當車輛左、右轉彎時，這些機構可以帶動木人向車輛轉彎相反的方向轉動，使木人的手臂始終保持指南。
由《宋史·輿服志》中對宋代兩種指南車的詳細記載，可知宋代的指南車依靠齒輪傳動的定向性完成指向，表明我國古代科學家已經掌握了控制齒輪離合的方法及齒輪匹配的力學知識，顯示我國古代機械製造技術的卓越成就。
中國古代人發明的巧妙技術
指南車設計製造的核心是對自動離合齒輪系統的應用，這種齒輪系統結構相當於現代機械結構中的差動齒輪系統。車箱內部設定有一套可自動離合的齒輪傳動機構，當車子行進中偏離正南方向，由齒輪系的齧合、分離抵消車輛轉向的影響，使木人手臂始終指向南方。
現代汽車調整左、右車輪的轉速差的裝置是差速器，主要由左右半軸齒輪、兩個行星齒輪及齒輪架組成，用於消除汽車在轉彎時左、右輪轉速不一致而造成的問題，防止左右輪轉速不一致而導致的損壞，可見兩者原理有相通之處。今天，指南車這種指南工具已經失去了它的地位，但是對於我們仍不無啟發。指南車上的差動齒輪系機構，以及相對運動的原理，在今天的機械生產中仍然發揮著巨大的作用。
指南車的齒輪差動系機構在近代引起了國內外學術界的廣泛重視。如此巧妙的指南車機構設計製造方法，是由 1000多年前的中國古代人發明的，實在令人感到驚歎！
排版 | 蘿蔔娟
稽核 | 六朵 蒼翼蝴蝶 蘇蘇
文章來源於《科研成果與傳播》雜誌
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- 作者資訊 -
陳康，中國科學技術館古代科技展覽部，工程師。研究方向：展覽設計。
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