指南车为何人所造？指南车的原理是什么？

指南车为何人所造?

祖冲之

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。指南车起源的具体时代未知，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。

但是，正如永动机不可能成功，机械式指南车也有它解不开的死穴。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，在实际中从来不曾有过。我们知道车轮尺寸会有制造误差，也会有磨损不均，还会有地面的坑坑洼洼。可以这么说，历史上大凡成功复制的机械式指南车，在短时期短距离以及路况相对平整的条件下，会有正确的指向能力。若将试验条件相对放宽，机械式指南车必定会与预期有较大的差异，被历史淘汰也是不可避免的。

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比较接近历史的实际条件。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，虽然指向精度更好但结构复杂，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。

指南车的原理是什么?

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。