指南車(chē)的發(fā)明介紹
指南車(chē)，又稱(chēng)司南車(chē)，是中國(guó)古代用來(lái)指示方向的一種機(jī)械裝置。以下是學(xué)習(xí)啦小編為你精心整理的指南車(chē)的發(fā)明介紹，希望你喜歡。
指南車(chē)的發(fā)明
它利用差速齒輪原理，它與指南針利用地磁效應(yīng)不同，它是利用齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，由車(chē)上木人指示方向。不論車(chē)子轉(zhuǎn)向何方，木人的手始終指向南方，“車(chē)雖回運(yùn)而手常指南”。 相傳早在5000多年前，黃帝時(shí)代就已經(jīng)發(fā)明了指南車(chē)，當(dāng)時(shí)黃帝曾憑著它在大霧彌漫的戰(zhàn)場(chǎng)上指示方向，戰(zhàn)勝了蚩尤。西周初期，當(dāng)時(shí)南方的越棠氏人因回國(guó)迷路，周公就用指南車(chē)護(hù)送越棠氏使臣回國(guó)。三國(guó)馬鈞所造的指南車(chē)除用齒輪傳動(dòng)外，還有自動(dòng)離合裝置 ，是利用齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和離合裝置來(lái)指示方向。在特定條件下，車(chē)子轉(zhuǎn)向時(shí)木人手臂仍指南。在技術(shù)上又勝記里鼓車(chē)一籌。
據(jù)考證，三國(guó)魏馬鈞于青龍3年(235年)創(chuàng)造指南車(chē)，雖有記載，但造法失傳。東晉安帝義熙十三年(417年)，劉裕北伐進(jìn)兵長(zhǎng)安，后秦姚興使令狐生制造指南車(chē)。北魏的郭善明也曾研發(fā)過(guò)，未成，扶風(fēng)人馬岳又造，垂成，善明鴆殺之。南朝的祖沖之又發(fā)明一次，《南齊書(shū)??祖沖之傳》：“初，宋武平關(guān)中，得姚興指南車(chē)，有外形而無(wú)機(jī)巧，每行，使人于內(nèi)轉(zhuǎn)之。升明中，太祖輔政，使沖之追修古法。沖之改造銅機(jī)，圓轉(zhuǎn)不窮，而司方如一，馬鈞以來(lái)未有也。”《宋史??輿服志》對(duì)指南車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，作了比較具體的記述，此車(chē)僅用為帝王出行的儀仗。宋、金兩朝的燕肅與吳德仁等科學(xué)家都研制出指南車(chē)，但之后又失傳了。《宋史·輿服志》對(duì)其機(jī)械構(gòu)造有具體記載 。宋代造法有天圣五年(1027)燕肅所獻(xiàn)傳統(tǒng)做法和大觀元年(1107)內(nèi)侍省吳德仁所獻(xiàn)車(chē)制兩種。指南車(chē)的創(chuàng)造標(biāo)志著中國(guó)古代在齒輪傳動(dòng)和離合器的應(yīng)用上已取得很大成就。指南車(chē)是古代一種指示方向的車(chē)輛，也是古代帝王出門(mén)時(shí)，作為儀仗的車(chē)輛之一，以顯示皇權(quán)的威武與豪華。
指南車(chē)發(fā)明的傳說(shuō)關(guān)于指南車(chē)的發(fā)明，最早的記錄還得從5000年前黃帝大戰(zhàn)蚩尤的傳說(shuō)說(shuō)起。據(jù)說(shuō)黃帝和蚩尤作戰(zhàn)三年，進(jìn)行了72次交鋒，都未能取得勝利。在一次大戰(zhàn)中，蚩尤在眼看就要失敗的時(shí)候，請(qǐng)來(lái)風(fēng)伯雨師，呼風(fēng)喚雨，給黃帝軍隊(duì)的進(jìn)攻造成困難。黃帝也急忙請(qǐng)來(lái)天上一位名叫旱魃的女神，施展法術(shù)，制止了風(fēng)雨，才使得軍隊(duì)得以繼續(xù)前進(jìn)。這時(shí)詭計(jì)多端的蚩尤又放出大霧，霎時(shí)四野彌漫，使黃帝的軍隊(duì)迷失前進(jìn)的方向。黃帝十分著急，只好命令軍隊(duì)停止前進(jìn)，原地不動(dòng)。并馬上召集大臣們商討對(duì)策。應(yīng)龍、常先、大鴻、力牧等大臣都到齊了，唯獨(dú)不見(jiàn)風(fēng)后。
有人懷疑風(fēng)后是不是被蚩尤殺害了。黃帝立即派人四下尋找，可是找了很長(zhǎng)時(shí)間，仍不見(jiàn)風(fēng)后的蹤影，黃帝只好親自去找。當(dāng)黃帝來(lái)到戰(zhàn)場(chǎng)上時(shí)，只見(jiàn)風(fēng)后獨(dú)自一人在戰(zhàn)車(chē)上睡覺(jué)。黃帝生氣地說(shuō)：“什么時(shí)候，你怎么在這里睡覺(jué)?”風(fēng)后慢騰騰地坐起來(lái)說(shuō)：“我哪里是在睡覺(jué)，我是正在想辦法。”接著，他用手向天上一指，對(duì)黃帝說(shuō)：“你看，為什么天上的北斗星，斗轉(zhuǎn)而柄不轉(zhuǎn)呢?臣聽(tīng)人說(shuō)過(guò)，伯高在采石煉銅的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)過(guò)一種磁石，能將鐵吸住。我們能不能根據(jù)北斗星的原理，制造一種會(huì)指方向的東西，有了這種東西就不怕迷失方向了。”黃帝把風(fēng)后的這個(gè)想法告訴眾臣，大家議論了一番，都認(rèn)為這是一個(gè)好辦法。然后，就由風(fēng)后設(shè)計(jì)，大家動(dòng)手制作。經(jīng)過(guò)幾天幾夜奮戰(zhàn)，終于造出了一個(gè)能指引方向的儀器。風(fēng)后把它安裝在一輛戰(zhàn)車(chē)上，車(chē)上安裝了一個(gè)假人，伸手指著南方。然后告訴所有的軍隊(duì)，打仗時(shí)一旦被大霧迷住，只要一看指南車(chē)上的假人指著什么方向，馬上就可辨認(rèn)出東南西北。
指南車(chē)基本資料
指南車(chē)是古代一種指示方向的車(chē)輛，也作為帝王的儀仗車(chē)輛。指南車(chē)起源很早，歷代曾幾度重制，但均未留下資料。直至宋代才有完整的資料。它利用齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)和離合裝置來(lái)指示方向。在特定條件下，車(chē)子轉(zhuǎn)向時(shí)木人手臂仍指南。指南車(chē)的自動(dòng)離合裝置顯示了古代機(jī)械技術(shù)的卓越成就。
但是，正如永動(dòng)機(jī)不可能成功，機(jī)械式指南車(chē)也有它解不開(kāi)的死穴。因?yàn)樗袡C(jī)械指南車(chē)，都是以兩輪之間的“差動(dòng)”來(lái)工作的，它希望兩輪與地面作純滾動(dòng)，這是一種理想的數(shù)學(xué)模式，在實(shí)際中從來(lái)不曾有過(guò)。我們知道車(chē)輪尺寸會(huì)有制造誤差，也會(huì)有磨損不均，還會(huì)有地面的坑坑洼洼?？梢赃@么說(shuō)，歷史上大凡成功復(fù)制的機(jī)械式指南車(chē)，在短時(shí)期短距離以及路況相對(duì)平整的條件下，會(huì)有正確的指向能力。若將試驗(yàn)條件相對(duì)放寬，機(jī)械式指南車(chē)必定會(huì)與預(yù)期有較大的差異，被歷史淘汰也是不可避免的。
指南車(chē)研究制作
在使用時(shí)先人為地進(jìn)行調(diào)整，使木仙人的手指向正南。若馬拖著轅直走，則左右兩個(gè)小平輪都懸空，車(chē)輪小齒輪和車(chē)中大平輪不發(fā)生嚙合傳動(dòng)，因此木人不轉(zhuǎn)，當(dāng)然也不會(huì)改變指向。若車(chē)子向左拐彎，則車(chē)轅的前端也必向左，而其后端則必偏右。車(chē)轅的這種變化，會(huì)使系在車(chē)轅上的吊懸兩小平輪的繩子發(fā)生相應(yīng)的松緊，從而把左邊的小平輪向上拉，但仍使它懸空;而右邊的小平輪則借鐵墜子及其本身的重量往下落，從而造成了車(chē)輪小齒輪和大平輪的嚙合傳動(dòng)。若車(chē)子向左轉(zhuǎn)90度，則在轉(zhuǎn)彎時(shí)，左輪不動(dòng)，右輪要轉(zhuǎn)半周。與右輪相連的小齒輪也就轉(zhuǎn)半周(即轉(zhuǎn)過(guò)12個(gè)齒)，經(jīng)過(guò)小平輪傳動(dòng)到大平輪，則大平輪將以相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)12個(gè)齒，即1/4周(也即90度)，這樣木仙人在和車(chē)一起左轉(zhuǎn)90度的同時(shí)，又由于齒輪的嚙合傳動(dòng)右轉(zhuǎn)了90度，其結(jié)果等于沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)，所以它的指向仍然不變。車(chē)子向右拐彎的情況或其他運(yùn)動(dòng)情況的結(jié)果可以類(lèi)推?？傊诬?chē)子怎么轉(zhuǎn)動(dòng)，木仙人總能保持它的指向不變。
燕肅的指南車(chē)是一輛雙輪獨(dú)轅車(chē)，車(chē)上立一木人，伸臂指南。車(chē)中，除兩個(gè)沿地面滾動(dòng)的足輪(即車(chē)輪)外，尚有大小不同的7個(gè)齒輪?！端问?middot;輿服志》分別記載了這些齒輪的直徑或圓周以及其中一些齒輪的齒距與齒數(shù)。由齒數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)，并保證木人指南的目的，可見(jiàn)古人掌握了關(guān)于齒輪匹配的力學(xué)知識(shí)和控制齒輪離合的方法。車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)附于其上的垂直齒輪(稱(chēng)「附輪」或「附立足子輪」)，該附輪又使與其嚙合的小平輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小平輪帶動(dòng)中心大平輪。指南木人的立軸就裝在大平輪中心。當(dāng)車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，只要操作車(chē)上離合裝置，即竹繩、滑輪(分別居于車(chē)左或車(chē)右的小輪)和鐵墜子，就可以控制大平輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使木人指向不變，例如，當(dāng)車(chē)向右轉(zhuǎn)彎，則其前轅向右，后轅必向左。此時(shí)只要將繞過(guò)滑輪的后轅端繩索提起，使左小平輪下落，從而與大平輪離開(kāi);同時(shí)使右小平輪上升，從而與大平輪嚙合，大平輪就隨右小平輪而逆轉(zhuǎn)。由于各個(gè)齒輪匹配合理，車(chē)輪轉(zhuǎn)向的弧度與大平輪逆轉(zhuǎn)弧度相同，故木人指向不變。
其后，吳德仁鑒于燕肅所制的指南車(chē)不能轉(zhuǎn)大彎，否則指向就失靈這一大缺點(diǎn)，重新設(shè)計(jì)制作指南車(chē)。吳德仁指南車(chē)基本原理與燕肅一致，只是在附設(shè)裝置方面較為復(fù)雜。他的車(chē)分上下兩層。上層除木人指南外，繞木人還有二只龜、四只鶴和四個(gè)童子。上層13個(gè)相互嚙合的齒輪就是為它們?cè)O(shè)的。下層的齒輪裝置與結(jié)構(gòu)如前所述，是他發(fā)明了繩輪離合裝置，以保證車(chē)轉(zhuǎn)大彎也不影響木人指向。
近代，對(duì)指南車(chē)的研究，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛重視，提出了指南車(chē)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的各種猜想，其中有英國(guó)學(xué)者郎基斯特(G·Lanchester)提出的差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)。大英博物館中的指南車(chē)就是按他的猜想復(fù)原制作的。
李約瑟博士在對(duì)指南車(chē)的差動(dòng)齒輪作詳細(xì)研究后指出：無(wú)論如何，指南車(chē)是人類(lèi)歷史上第一架有共協(xié)穩(wěn)定的機(jī)械(homoeostaticmachine);當(dāng)駕車(chē)人與車(chē)輛成一整體看待時(shí)，它就是第一部摹控機(jī)械。
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