我国古代的导航技术

·指南针

指南针是古代航海、行军中不可缺少的，简单而古老的指示方向的仪器，是我国古代四大发明之一。在战国时期，人们用天然磁铁研磨成针的形状，这种装置称为“司南”（图1（a）），这就是指南针的原型。图1（b）为三国时期司马钧创造的指南车，车上有一小人，其手指方向即为南方。利用磁石的天然特性，指南针可以自动指北和寻北，从而为运动物体提供辨别方向的基准。由于依赖于磁场的特性工作，在磁暴、磁异常和强电磁场附近，指南针将会失灵。

图1　指南针和指南车

  • （a）古代我国指南针——“司南”；

  • （b）我国古代的指南车

·牵星过洋术

1 500多年前，我国东晋有个法显和尚，他提出了一种可以在茫茫大海中为船只导航的方法，即“牵星过洋术”。明朝永乐年间，大航海家郑和七次下西洋（图2（a）），一直采用的就是这种古老的天文导航方法。具体来说，就是使用简单的测角仪，测量从水平线到星体的仰角，从而来为船队定位。星体在天上好比灯塔，如能分别测出两座灯塔的基点（这种基点称为“星下点”——星体与地心的连线和地球表面上的交点）与航船的距离，就能得到航船的大致方向和位置（图2（b））。但测星定位受天气影响很大，看不见星体时就无法使用。

图2　郑和下西洋航海图和测星定位

  • （a）郑和下西洋航海图；

  • （b）测星定位基本原理

·记里鼓车

记里鼓车是我国古代一种能自报行车里数的车辆，这种记里鼓车利用汉代鼓车改装而成，车中装有传动齿轮和凸轮杠杆等机械，车行一里，车上木人受凸轮的牵动，由绳索拉动木人右臂击鼓（图3（a））。古代军队每行进一里路，记里鼓车上的小人就会击鼓一次，记下击鼓的次数，也就知道了前进的里程。据考证，记里鼓车是东汉以后出现的，当时仅用作帝王出行时的仪仗（图3（b））。

现在出租车上用的计价器实际上就是记里鼓车的延伸和改进，只不过计价器不是靠击鼓，而是通过“蹦字”来记录行驶里程。

图3　记里鼓车

  • （a）记里鼓车复原模型；

  • （b）汉代孝堂山画像石中的鼓车图

·候风地动仪

我国东汉著名科学家张衡成功创造了能观测地震的仪器——候风地动仪（图4）。这种装置内底中央竖有一根立柱，即倒立的惯性震摆。利用惯性原理，当立柱感受到地震时，会失稳倒下，成为地震敏感器。候风地动仪是我国古代乃至世界早期利用垂直倒立摆惯性原理的极好例证，它比欧洲地震仪出现的时间早了1 500年，它体现了中国古代劳动人民的勤劳和智慧。在首都机场3号航站楼大厅内，可以看到这种装置的一个仿造艺术品。

图4　候风地动仪复原图

·镂空银熏球

公元前140年，西汉大辞赋家司马相如在其所作的《美人赋》中，首次提到了供皇宫贵族用的卧褥香炉，这是一种基于平衡环原理工作的装置，而平衡环是现代机械转子式陀螺的基础。到了唐代，人们制作成功了镂空银熏球。它是一种更为精美的平衡装置，其内部结构如图5（a）所示。其中，香炉被放在一个镂空的球内，并用两个圆环架起来，利用互相垂直的转轴和香炉本身的质量，使之“环转四周而炉体常平，可置被褥中”。图5（b）为清代制作的一种镂空银熏球。

图5　镂空银熏球

  • （a）镂空银熏球的内部结构；

  • （b）清代的镂空银熏球

平衡环结构随着科学技术的发展有很多重要的作用。真正把平衡环用在现代科学上，并做出重要贡献的是法国人傅科。他在1851年提出利用高速旋转的陀螺来显示地球的自转。高速旋转的陀螺有保持旋转轴指向不变的性质。如果把陀螺放置在万向支架上，支架在地球上，地球旋转而陀螺的轴不旋转。经过不长的时间，陀螺相对于支架的变动就明显地说明地球的自转。傅科利用他发明的傅科摆和这种陀螺仪雄辩地证明了地球的自转。自此，万向支架（平衡环）又有了一个新的名字——陀螺支架。