指南针

指南针
指南针
  指南针是用以判别方位的一种简单仪器。指南针的前身是中国古代四大发明之一的司南。主要组成部分是一根装在轴上可以自由转动的磁针。磁针在地磁场作用下能保持在磁子午线的切线方向上。磁针的北极指向地理的北极,利用这一性能可以辨别方向。常用于航海、大地测量、旅行及军事等方面。指南针的发明,对于海上交通的发展和经济文化的交流,起了极大作用。 
 

指南针概述

  指南针的发明年代很早,已经有两千多年的历史。我国古籍中,有关指南针的记载很多。指南针是利用磁铁在地球磁场中的南北指极性而制成的一种指向仪器,它和以齿轮结构的机械指南车不同。现在所说的指南针是个总的名称,在各个不同的历史发展时期,它有不同的形体,也有不同的名称,如司南、指南鱼、指南针和磁罗盘等等。关于指南针的最初发明者和发明年代现在无可查考。但是有一点是清楚的:指南针是我国古代劳动人民在长期的生产实践中集体智慧的结晶。  

最早的“指南针”

司南
司南
  战国时代,我国人民利用磁铁造成了一种指示方向的工具,叫“司南”。“司南”就是指南的意思。
  司南的形状和现在的指南针完全不同。它是根据我国古代的勺子的形状制成的,很象我们现在用的汤匙。
  司南的制成,古书上缺少详细的记载,又没有实物留下来,所以我们没有办法知道它的准确形状。根据专家们的研究,司南大约是把整块的天然磁铁,轻轻地琢磨成勺子的形状,并且把它的S极琢磨成长柄,使重心落在圆而光滑的底部正中。
  司南做好以后,还得做一个光滑的底盘。使用的时候,先把底盘放平,再把司南放在底盘的中间,用手拨动它的柄,使它转动。等到司南停下来,它的长柄就指向南方,勺子的口则指向北方。
  司南的底盘是用青铜做的,有的是个涂漆的木盘,青铜和漆器都比较光滑,磨擦的阻力比较小,司南转动起来很灵活。这种底盘内圆外方,四周还刻有表示方位的格线和文字。现在的出土文物中,就有这样的铜盘和涂漆的木盘;还有东汉时候的一幅石刻,刻着一个小勺子放在一个小方台上,有人认为这就是司南。
  司南是世界上最早的“指南针”。战国时候,有人去采玉,怕在荒山中迷路,就带上司南。
  司南必须放在光滑的底盘上旋转,底盘还必须放平,否则就会影响它指南的作用,甚至会使它从底盘上滑下来。因此,人们发明司南以后,又继续不断地研究改进指南的工具。  

·指示方向原理

  地球是个大磁体,其地磁南极在地理北极附近,地磁北极在地理南极附近。指南针在地球的磁场中受磁场力的作用,所以会一端指南一端指北。而最早解答“指南针为何能够指南”问题的并不是中国人,而是英国科学家吉尔伯特。 

指南针的发展和演变

指南针
指南针
  指南针大约在我国战国时期就已经出现了。最初的指南针是用天然磁石制成的,样子像一只勺,底圆,可以在平滑的“地盘”上自由旋转,等它静止的时候勺柄就会指向南方。占人称它“司南”。东汉的王充,在他的《论衡·是应篇》中曾说:“司南之杓,投之于地,其柢指南。”这里的“地”,是指汉代栻占的方形“地盘”,地盘四周刻有八千(甲、乙、丙、丁、庚、辛、壬、癸)和十二支(子、丑、寅、卯、辰、已、午、未、申、西、戌、亥),加上四维(乾、坤、粪、民),共二十四向,用来配合司南定向。从战国、秦汉、六朝以至隋唐的古籍中。有不少关于司南的记载。如《韩非子·有度篇》里有“先王立司南以端朝夕”的话,“端朝夕”就是正四方的意思。《鬼谷子·谋篇》里也记载说,“郑人取玉,必载司南,为其不惑也。”就是说郑国的人到远处去采玉,就带了司南去,以便不迷失方向。
  古代的司南是用天然磁石经人工用琢玉的办法琢磨成的。我国商周时期琢玉工人的技术已经很精湛,至迟在春秋时期就已经能把硬度五到七的软玉和硬玉琢制成各种形状的玉器,因此也能够把硬度只有五·五到六·五的天然磁石制成形体比较简单的司南来。
  由于天然磁石在琢制成司南的过程中不容易找出准确的极向,而且也容易因受震而失去磁性,因而成品率低。同时也因为这样琢制出来的司南磁性比较弱,而且在和地盘接触的时候转动摩擦阻力比较大,效果不很好,因此这种司南未能得到广泛的使用。
  随着社会生产力的不断发展,科学技术的不断进步,航海业的不断扩大和发展,制造出一种比司南更好的指向仪器不但成为必要,而且也有了可能。在经过劳动人民长期的生产实践和反覆多次的试验之后,人们终于发现了人工磁化的方法,这样就产生了更高一级的磁性指向仪器。
  北宋初年由曾公亮主编的一部军事著作《武经总要》和由著名的科学家沈括撰写的《梦溪笔谈》里,分别介绍了指南鱼和指南针。指南鱼是用薄铁叶裁成鱼形,然后用地磁场磁化法,使它带有磁性(详后)。在行军需要的时候,只要用一只碗,碗里盛半碗水,放在无风的地方,再把铁叶鱼浮在水面,就能指南。但是这种用地磁场磁化法所获得的磁体磁性比较弱,实用价值比较小。另一种指向仪器是指南针,它是以天然磁石摩擦钢针制得。钢针经磁石摩擦之后,便被磁化,也同样可以指南。沈括根据他的见闻,在《梦溪笔谈》卷二十四里说道:“方家以磁石磨针锋,则能指南。”直到十九世纪现代电磁铁出现以前,几乎所有的指南针都是采用这一种人工磁化法制成的。这时,指南针在它的发展史上已经跨过了两个发展阶段--司南和指南鱼,发展成一种更加简便、更有实用价值的指向仪器。以后各种名目繁多的磁性指向仪器,就都以这种磁针为主体,只是磁针的形状和装置法有所变化罢了。
  关于磁针的装置法,沈括亲自做了四种实验:把磁针横贯灯芯浮水上,架在碗沿或指甲上,以及用缕丝悬挂起来。
  从已经发现的古代文献和地下出土文物可以看出,我国从两宋起,历元、明到清初,水浮法指南针在航海上和堪舆上都一直使用。有的还使用到清代的中后期。这种水浮法,据宋代寇宗奭(shì)的《本草衍义》、元代程的《三柳轩杂记》所说,是用灯芯或其他比较轻的物体做浮标,让磁针贯穿而过,使它浮在水面而指南。如滋针装置实验示意图的(1)所示。解放后在河北磁县、江苏丹徒、辽宁大连等地,陆续发掘出一批元代的“王”字瓷碗。碗腹内底画有三大点,中间穿一细划,样子像个“王”字。据王振锋考证,这三点一划是表示“指南浮针”,中间的直线表示磁针,三大点表示和灯芯草有共同作用的浮标。这“王”字的绘画是有用意的。一个是为了表明这碗是专为浮针用的(在大连市出土的三个“王”字瓷碗底部圈足里都墨书一个正楷的“针”字,就是为了标明这碗是针碗)。另一个可能是为了标明磁子午方向,在一定程度上起了方位盘的作用。
  南宋陈元靓在他所撰的《事林广记》中,也介绍了当时民间曾经流行的有关指南针的两种装置形式,就是木刻的指南鱼和木刻的指南龟。木刻指南鱼是把一块天然磁石塞进木鱼腹里,让鱼浮在水上而指南。木刻指南龟的指向原理和木刻指南鱼相木同,它的磁石也是安在木龟腹,但是它有比木鱼更加独特的装置法,就是在木龟的腹部下方挖一小穴,然后把木龟安在竹钉子上,让它自由转动。这就是说,给木龟设置一个固定的支点。拨转木龟,待它静止之后,它就会南北指向。
  正如在使用司南时需要有地盘配合一样,在使用指南针的时候,也需要有方位盘相配合。最初,人们使用指南针指向可能是没有固定的方位盘的,但是不久之后就发展成磁针和方位盘联成一体的罗经盘,或称罗盘。方位盘仍是汉时地盘的二十四向,但是盘式已经由方形演变成环形。罗经盘的出现,无疑是指南针发展史上的一大进步,只要一看磁针在方位盘上的位置,就能定出方位来。南宋曾三异在《同话录》中说道:“地螺或有子午正针,或用子午丙壬间缝针。”这里的“地螺”就是地罗,也就是罗经盘。这是一种堪舆用的罗盘。这时候已经把磁偏角的知识应用到罗盘上。从曾三异的恬可以看出,这种罗盘不但有子午正针(是以磁针确定的地磁南北极方向),还有子午丙壬间的缝针(是以日影确定的地理南北极方向),两个方向之间有一夹角,这就是磁偏角。
  当时的罗盘,还是一种水罗盘,磁针还都是横贯着灯芯浮在水面上的。北宋徐兢的《宣和奉使高丽图经》中记有:在海上航行遇到阴晦天气,就用指南浮针。
  不过在南宋可能已出现旱罗盘。据《考古》1988年第四期报道,1985年五月江西临川南宋邵武知军朱济南(l140-1197)墓出土了七十伴瓷俑,其中一件称张仙人俑,高二二.二厘米,手捧一件似是旱罗盘,磁针是菱形,中央有一小孔,以轴承支持着。这说明可能早在十二世纪末期前,中国已有旱罗盘。旱罗盘和水罗盘的区别在于,旱罗盘的磁针是以钉子支在磁针的重心处,并且使支点的摩擦阻力十分小,磁针可以自由转动。显然,旱罗盘比水罗盘有更大的优越性,它更适用于航海,因为磁针有固定的支点,而不会在水面上游荡。
  旱罗盘的这种磁针有固定支点的装置法,最初的思想起源很早。因为司南就有一定的支点;沈括关于磁针装置试验中又有碗沿旋定法和指甲旋定法等。
指南针
指南针
  我国的指南针大约是在公元十二世纪末到十三世纪初经过阿拉伯传入欧洲的。宋代我国的航海业已经相当发达,泉州、广州都是世界一等大商港,中国船只不但船身大,结构坚,而且航速快,又有指南针指航,阿拉伯商人都乐乘中国船只。而且阿拉伯和波斯商人旅居中国的不少,泉、广常住许多阿拉伯商人,因而,我国指南针的每一步发展,连同民间流行的木刻指南龟,也就很容易随着频繁的经济文化交流而传人西方,这就为旱罗盘的出现提供了基础。
  顺便指出,虽然旱罗盘因磁针有固定的支点而比水罗盘显得优越,但是它在海上应用仍有很大的不方便。当盘体随海船作大幅度摆动的时候,常使滋针过分倾斜而靠在盘体上转动不了。十四到十六世纪,欧洲航海罗盘出现了一种现在称做“万向支架”的常平架,它是由两个铜圈组成,两圈的直径略有差别,使小圈正好内切于大圈,并且用枢轴把它们联结起来,然后再由枢轴把它们安在一个固定的支架上。旱罗盘就挂在内圈中,这样,不论船体怎么摆动,旱罗盘总能始终保持水平状态。
  这种常平架,就文献记载来看,在我国早在汉晋时期就已经出现了。在当时的一部著作《西京杂记》中曾经记载西京长安有个巧匠名叫丁缓的,他作了一个小香炉,像个多孔小球,可以点上香后放在被窝中,不论小球怎么滚动,炉灰总不会撒出来,因此这种小香炉称做卧褥香炉或被中香炉。卧褥香炉的原理就是在多孔小 球里联结着两个套起来的金属圈,点香用的炉缸就挂在内圈上。这种卧褥香炉在汉以后历代都有制造。但是这种技术原理在当时只是为少数统治阶级服务,直到一千三百多年后欧洲人用它装置航海罗盘的时候,这一人类智慧才得到真正的尊重和充分的应用。  

沈括的指南针四种方法

  钢片指南鱼发明不久,人们拿一根钢针,放在磁铁上磨,使钢针变成磁针。这种经过人工传磁的钢针,可以说是正式的指南针了。
  北宋时候有个著名的科学家,名叫沈括。他在自然科学方面有很多杰出的贡献。他写了一部《梦溪笔谈》,书中提到关于指南针的用法,他曾经做过四种试验:
沈括的四种指南针用法
沈括的四种指南针用法
  第一种是水浮法,把指南针放在有水的碗里,使它浮在水面上,指示方向。针怎么能浮在水面上呢?沈括没有说明。北宋晚期,寇宗爽编了一部《本草衍义》,书中讲到在指南针上穿几根灯草,就可以浮在水面上了。沈括的水浮法,可能也是这样的。
  第二种是指甲旋定法一把磁针放在手指甲面上,使它轻轻转动。手指甲很光滑,磁针就和司南一样,也能旋转自如。
  第三种是碗唇旋定法--把磁针放在光滑的碗口的边上。
  第四种是缕悬法--在磁针中部涂一些蜡,粘上一根细丝线,把细丝线挂在没有风的地方。
  根据试验,沈括认为这四种方法,要算缕悬法最好。因为用指甲旋定法和碗唇旋定法,磁针很容易滑落,用水浮法,水也动荡不定,缕悬法却没有这些缺点。
  沈括在《梦溪笔谈》中记载的这四种方法,可以说是世界上指南针使用方法的最早记录。
  这四种方法,有的仍然为近代罗盘和地磁测量仪所采用。现在磁变仪、磁力仪的基本结构原理,就是用缕悬法。航空和航海使用的罗盘,就多以水浮磁针作为基本装置。 
  沈括还有一个重要的发现。他在《梦溪笔谈》中讲到,磁针虽然朝着南方,但是指的不是正南,而略微有些偏东。这一现象,在科学上叫做“磁偏角“。
  那是因为地球上的磁极,和南极、北极稍许有一些偏差的缘故。所以磁针的南北线和地球的子午线是不一致的。这在科学上叫做“磁偏角”,又称为“磁差”或“偏差”。磁偏角的数值,在全球各地是不相同的。
  在西方,直到公元一四九二年哥仑布横渡大西洋时候,方才发现磁偏角,比我国迟了四百多年。
  沈括这四种实验,概括起来是属于三种类型:一是水浮法,二是支点旋转法,三是缕丝悬挂法。沈括认为,“水浮多荡摇,”碗沿或指甲“坚滑易坠”,而以“缕悬为最善”。其实这三种方法各有优点,它们在后来都有不同程度的发展,都在实际中得到不同程度的用。而且前两种的应用还更加普遍。特别是水浮法,在我国指南针发展史上占有重要的地位。  

磁现象的发现

  先秦时代我们的先人已经积累了许多这方面的认识,在探寻铁矿时常会遇到磁铁矿,即磁石(主要成分是四氧化三铁)。这些发现很早就被记载下来了。《管子》的数篇中最早记载了这些发现:“山上有磁石者,其下有金铜。”其他古籍如《山海经》中也有类似的记载。磁石的吸铁特性很早就被人发现,《吕氏春秋》九卷精通篇就有:“慈招铁,或引之也。”那时的人称“磁”为“慈”他们把磁石吸引铁看作慈母对子女的吸引。并认为:“石是铁的母亲,但石有慈和不慈两种,慈爱的石头能吸引他的子女,不慈的石头就不能吸引了。”据说秦始皇统一六国后,在咸阳附近修阿房宫,宫中有一座门是用磁石做成,如果有人身穿盔甲,暗藏兵器,入宫行刺,就会被磁石门吸住。这个故事告诉我们,古代劳动人民很早就掌握了磁学知识。
  汉朝以前人们把磁石写做“慈石”,是慈爱石头的意思。
  既然磁石能吸引铁,那么是否还可以吸引其他金属呢?我国的先民做了许多尝试,发现磁石不仅不能吸引金、银、铜等金属,也不能吸引砖瓦之类的物品。西汉的时候人们已经认识到磁石只能吸引铁,而不能吸引其他物品。
  当把两块磁铁放在一起相互靠近时,有时候互相吸引,有时候相互排斥。现在人们都知道磁体有两个极,一个称N极,一个称S极。同性极相互排斥,异性极相互吸引。那时的人们并不知道这个道理,但对这个现象还是能够察觉到的。
  到了西汉,有一个名叫栾大的方士,他利用磁石的这个性质做了两个棋子般的东西,通过调整两个棋子极性的相互位置,有时两个棋子相互吸引,有时相互排斥。栾大称其为“斗棋”。他把这个新奇的玩意献给汉武帝,并当场演示。汉武帝惊奇不已,龙心大悦,竟封栾大为“五利将军”。栾大利用磁石的性质,制作了新奇玩意用以取悦汉武帝。
  地球也是一个大磁体,它的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方。因此地球表面的磁体,可以自由转动时,就会因磁体同性相斥,异性相吸的性质指示南北。这个道理古人虽不明白,但这类现象他们看的很清楚。  

指南针在航海上的应用

指南针在航海上的运用
指南针在航海上的运用
  指南针作为一种指向仪器,在我国古代军事上,生产上,日常生活上,地形测量上,尤其在航海事业上,都起过重要的作用。
  我国古代航海业相当发达。秦汉时期,就已经同朝鲜、日本有了海上往来;到隋唐五代,这种交往已经相当频繁。而且同阿拉伯各国之间的贸易关系也已经很密切。到了宋代,这种海上交通更得到进一步的发展。中国庞大的商船队经常往返于南太平洋和印度洋的航线上。海上交通的迅速发展和扩大,是和指南针在航海上的应用分不开的。在指南针用于航海之前,海上航行只能依据日月星辰来定位,一遇阴晦天气,就束手无策。唐文宗开成三年(公元838年),日本和尚圆仁来中国求法,后来写有《入唐求法巡礼行记》一文,描述了在海上遇到阴雨天气的时候混乱而艰辛的情景:当时,海船的航向无法辨认,大家七嘴八舌,有的说向北行,有的说向西北行,幸好碰到一个波绿海浅的地方,但是也不知道离陆地有多远,最后只好沉石停船等待天晴。
  而在指南针用于航海之后,不论天气阴暗,航向都可辨认。史籍中最早记载到指南针用于航海的是在北宋。朱彧(yù)在他的《萍洲可谈》一书中评述了当时广州航海业兴旺的盛况,同时也记述了中国海船在侮上航行的情形,说道:“舟师识地理,夜则观星,昼则观日,阴晦观指南针。”这时海上航行还只是在日月星辰见不到的日子里才用指南针,这是由于人们对靠日月垦辰来定位有一千多年的经验,而对指南针的使用还不很熟练。随着指南针在海上航行的不断应用,人们对它的依赖也与日俱增,并且有专人看管。 南宋吴自牧在他所写的《梦粱录》中说道:“风雨冥晦时,惟凭针盘而行,乃火长掌之,毫厘不敢差误,盖一舟人命所系也。”由此也可以看出指南针在航海中的地位和作用。到了元代,指南针一跃而成海上指航的最重要仪器了,不论冥晦阴暗,都利用指南针来指航。而且这时海上航行还专门编制出罗盘针路,船行到什么地方,采用什么针位,一路航线都一一标识明白。元代的《海道经》和《大元海运记》里都有关于罗盘针路的记载。元代周达观写的《真腊风土记》里,除了描述海上见闻外,还写到海船从温州开航,“行丁未针”。这是由于南洋各国在中国南部,所以海船从温州出发要用南向偏西的丁未针位。明初航海家郑和“七下西洋”,扩大了中国的对外贸易,促进了东西方的经济和文化交流,加强了中国的国际政治影响,增进了中国同世界各民族的友谊,作出了卓越的贡献。他这样大规模的远海航行之所以安全无虞,端赖指南针的忠实指航。郑和的巨舰,从江苏刘家港出发到苏门答腊北端,沿途航线都标有罗盘针路,在苏门答腊之后的航程中,又用罗盘针路和牵星术相辅而行。指南针为郑和开辟中国到东非航线提供了可靠的保证。  

外传与影响

  指南针大约在十二世纪末十三世纪初之际,传到阿拉伯,然后又由阿拉伯传入欧洲,后来欧洲演变出旱罗盘,再於明代时经日本传回我国。
  指南针对西方最大的影响莫过於西方开始海外大探险。
  结合当时国家有计画的海外探险,以及天文、地理、造船、航海技术的配合,再加上罗盘的使用,因而造成西方一连串的海外探险。就世界范围来说,指南针在航海上的应用,导致了以后哥伦布(约1451-1506)对美洲大陆的发现和麦哲仑(约1480-1521)的环球航行。这大大加速了世界经济发展的进程,为资本主义的发展提供了必不可少的前提。
  在各国相竞的向外发展下,新航线、新大陆逐一被发现,让欧洲人在短时间内看到更多不同的事物与民族,进而促使欧洲人以客观的观察和比较的眼光来看待不同的民族与文化,是为指南针的另外更深远的影响。