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指南针

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指南针( compass ),( 辨方工具),又称罗盘或司南,是一种用于指示方向的工具,广泛应用于各种方向判读,譬如航海、野外探险、城市道路地图阅读等领域。

指南针可分为依靠磁力不依靠磁力两类。依靠磁力的指南针又可再细分为两类:一是根据地球磁场有极性制作的地磁指南针,但这种指南针指示的南北方向与真正的南北方向不同,存在磁偏角;二是电子指南针,采用磁场传感器磁阻(MR)技术,可很好地修正磁偏角的问题,现已大量用于卫星定位装置中。至于不依靠磁力的则纯粹依靠器件内部的物理方法指示方向,如指南车[1]或惯性导航系统。

指南针又称指北针,因为当代指向针常在指向北方的一端漆上颜色标记,以便使用者寻找北方。

产生背景

指南针 中国古代四大发明(之一)原图链接来自可可英语 的图片

地球是一个大磁体。地球的两个极分别在接近地理南极和地理北极的地方。地球表面的磁体,当可以自由转动时,就会因磁体同性相斥异性相吸的性质指示南北——这个道理,古人不够明白;但这类现象,古人已经发现。

先秦时代的中国劳动人民已经积累了对磁现象的认识,在探寻铁矿的时候,常常遇到磁铁矿,即磁石(主要成分是四氧化三铁--化学式Fe3O4,别名氧化铁黑磁铁吸铁石,为具有磁性的黑色晶体,故又称为磁性氧化铁)。《管子》的数篇中早已记载了这些发现:“山上又磁石者,其下有金铜。”《山海经》中也有类似的记载。磁石的吸铁特性很早被人发现,《吕氏春秋》九卷精通篇就有:“慈招铁,或引之也。”古人称“磁”为“慈”。

司南

磁现象的发现

有一种观点认为中国古代记载的“司南”就是指南针最早形式(战国时韩非子《有度篇》即已出现司南一词)。东汉王充(公元27~约97)《论衡》(明嘉靖版)卷十七是应篇第五十二说“司南之杓,投之于地,其柢指南”,这个记载虽不是最早,但是最早表述清楚的一个。司南具体形式却有很大争议,根据《论衡》以及唐韦肇《瓢赋》中的记载,王振铎判定司南为勺型天然磁石配合地盘,虽有出土汉地盘和河南南阳东汉墓出土石刻司南勺图佐证,但毕竟无完整配合出土。1950年代钱临照试图以天然磁石制做勺形司南,但因天然磁石磁距小、底部摩擦大而未成功。

将司南理解为磁勺从古文献考证及实验方面在学术界一直存有异议。其中东北师范大学教授刘秉正在1956年考证出指南鱼[2]是中国人最早地进行人工磁化的应用,同时也对司南是磁性指南工具提出质疑。

近些年来他进一步提出《论衡·是应篇》以及《瓢赋》中的司南是天上的北斗, 而其它的文献中的司南或指南有的是指南车如《鬼谷子》记载的司南,有的是行事的准则如《抱朴子·外篇·疾谬》中的指南,还有是指官职如《韩非子》中的记载。

2005年中国国家博物馆研究员孙机近根据前北平历史博物馆旧藏残宋本《论衡》认定“司南之杓”杓字实为酌,那么看来“其柢指南”之柢也非指勺柄。根据最新的文献考证表明,司南是北斗的别称,同时司南的其他用法也都与北斗有关。此文通过对北魏·温子升《定国寺碑》中“幽隐长夜,未睹山北之烛;沉迷远路,讵见司南之机。”

梁·吴均《酬萧新浦王洗马诗二首》中的“独对东风酒,谁举指南酌”等唐以前文献的分析,认为这些文献中司南只能解释成北斗,而《论衡》,《瓢赋》中的司南也应是北斗。

元稹《加裴度幽镇两道招抚使制》中的司南应是官职,宋·释正觉《颂古》:“妙握司南造化柄,水云器具在甄陶。”中的司南应是权力

唐·宋暠《獬廌赋》中“守法者仰之以司南,疾恶者投之于有北。”的司南是法律,这些词意都来源于北斗。

另外《韩非子·有度》中的司南也应解释成法律,其中的“朝夕”不是方向,而是早晚朝见或君王早晚听政。其他司南引申定为时间(杜甫《咏鸡》中的司南)、指德高望重的人(张九龄《祭张燕公文》)、以及指导准则等意也来源于北斗。

罗盘的发明与西传

磁针问世后,先后用于堪舆[3]航海。为了使用方便,读数容易,加上磁偏角的发现,对指南针的使用技巧提出了更高的要求,方家首先将磁针与分度盘相配合,创制了新一代指南针——罗盘。不过有些场合,碗中的水浮磁针仍在使用,故沈括《梦溪笔谈》卷二十四称“水浮多荡摇”。江苏河北辽宁旅大曾出土元代的不带刻度的指南针专用针碗。当航船还在使用浮针加针碗时,堪舆罗盘却远远地跑到了前面。

指南鱼

曾公亮成书于1044年的《武经总要》前集卷十五中有关于水浮指南鱼的记载:

若遇天景曀霾,夜色螟黑,又不能辨方向,则当纵老马前行,令识道路,或出指南车或指南鱼以辨所向。指南车法世不传。鱼法以薄铁叶剪裁,长二寸、阔五分,首尾锐如鱼形,置炭火中烧之,候通赤,以铁钤钤鱼首出火,以尾正对子位,蘸水盆中,没尾数分则止,以密器收之。用时,置水碗于无风处,平放鱼在水而令浮,其首常南向午也。

李约瑟指出,铁皮从高于居里点(600℃-700℃)的温度急速降温,就会被地磁场磁化成为磁铁。这种利用地磁场制作磁铁的方法,虽然磁性较弱,但具有不需天然磁铁[4]的优点。上文中的“道路”、“指南鱼以辨所向”等字句,说明指南针在1044年已经用于陆路交通了。

世界上最早的关于用天然磁石磨钢针的方法造磁针,以及人造磁针指南的记载,出现在北宋沈括《梦溪笔谈》:

方家以磁石磨针锋,则能指南,然常微偏东,不全南也。水浮多荡摇。指爪及碗唇上皆可为之,运转尤速,但坚滑易坠,不若缕悬为最善。其法取新纩中独茧缕,以芥子许蜡,缀于针腰,无风处悬之,则针常指南。其中有磨而指北者。余家指南、北者皆有之。

其中记载:

方家用磁石磨针锋,制造指南针。

四种支撑磁针的方法:水浮(水磁针)、放在指甲上、放在碗边,用一根蚕丝悬挂磁针(旱磁针)。 磁偏角现象[5]

亦有人制造指北针

旱罗盘

元初《事林广记》记载:以木刻鱼子,如拇指大,陷好磁石一块子,却以蜡填满,用针一半佥从鱼子口中钩入,令没水中,自然指南。以手拨转,又复如此。以木刻龟子一个,一如前发制造,但于尾边敲针入去,用小板子,上安以竹钉子,如箸尾大,龟腹下微陷一穴,安钉子上,拨转常指北。

元、明航海罗盘的运用

最早见于航海用途的指南针记载于北宋朱彧撰写的《萍洲可谈》:

舟师识地理,夜则观星,昼则观日,阴晦观指南针,或以十丈绳钩,取海底泥嗅之,便知所至。海中无雨,凡有雨则近山矣。……

《萍洲可谈》成书于1111年-1117年间,但所叙述的是1086年的事。这比Alexander Neckam可能写于1190年的《论器具(De naturis rerum)》中说法:航海时“白天云遮太阳,或夜间黑暗不辨方向时,使用磁铁摩擦铁针,针停时指南北,”早约一个世纪。与英国几乎同时法国和稍晚一点的意大利也有了首次指南针的记载。

1123年宋朝派遣使臣取海路出使朝鲜,《宣和奉使高丽图经》记载用水浮指南针导航

是夜洋中不可住,维观星斗前迈。 若晦冥,则用指南浮针, 以揆南北。

宋代的航海指南针,除“南北”,还未见有其他方位,如:东、西、西北等方向。

四十八方位罗盘用于航海的文献纪录,最早见于元代周达观《真腊风土记》:

温州开洋,行丁未针。历闽、广海外诸州港口,过七洲洋,经交趾洋到占城。又自占城顺风可半月到真蒲。又自真蒲行坤申针,过昆仑洋入港。

其中丁未针= 202.5°、坤申针= 232.5°。

明朝永乐年间随郑和下西洋的巩珍在《西洋番国志》的《自序》中叙述应用水浮罗盘的情况[15]:

往还三年,经济大海,绵邈弥茫,水天连接,四望迥然,绝无纤翳之隐蔽。惟日月升坠,以辨西东,星头高低,度量远近。斫木为盘,书刻干支之字,浮针于水,指向行舟。

《郑和航海图》中纪录109道航海针路。例如:

“太仓港口开船,用丹乙针,一更,船平吴淞江。用乙卯针,一更,船到南汇嘴。平招宝”。

苏门答腊开船,用干戌针,十二更,船平龙涎屿。四十更,船又用辛酉针。五十更,船见锡兰山”;

“官溜屿用庚酉针,船收木骨都束”。

明代《顺风相送》、《指南正法》、《东西洋考》等文献都有针路记录:

广东往磨六甲:南亭门放洋,用坤未针 (217.5°)五更船取乌头山。用单坤针(西南 225°)十三更取七洲洋。坤未 (217.5°)针 七更船平独猪山。……干亥 (322.5°)针五更船平昆宋屿,单亥针(330°)五更船取前屿,干(315°)针五更取五屿;沿山使取磨六甲。

台湾往日本从大港出。东南风可用丁未 (202.5°)及单未 (210°)过茄老湾线。南到青水乌水干,可牵舵及用壬(345°)及壬子(352.5°),转变取澎湖东过。

七洲洋用坤未针,三更取铜鼓山。

明代舟师使用的罗盘,用水浮针,有一定的规矩:

取水下针,务要阳水,不取阴水”,“安罗经,下指南(针),须从干宫下”。下针之前,舟师必须诵读《地罗经下针神文》,拜周公圣人,李淳风仙师,定针童子转针神郎换水神君下针力士走针神兵罗经坐向守护尊神、护国庇民妙灵昭应明著天妃等神灵,祈求“今日良辰下针,青龙下海永无灾。

近来曾在青岛海南发现明代瓷质水浮指南针,尺寸大至为:最大外径9.5厘米;上有盛水同心圆孔径4.4厘米,孔深2.3厘米,外围青花釉绘刻度,底座、四壁厚实坚固,估计是去水收藏,用时加水。现代液体罗盘基本原理类似,不过改进采用了密封技术。

现代指南针

中国在12世纪已经发明旱罗盘即现代指南针基本形式。经过阿拉伯人有效改进后才传入欧洲。但是欧洲现存关于指南针的记载早于阿拉伯,阿拉伯语中指南针(al-konbas)一词也似源于古意大利语。近来在江西临川一座葬于公元1198年的宋墓里发现一俑(标写“张仙人”),手持一似风水罗盘“亦是旱罗盘”物,有观点认为旱罗盘中国也可能早于西方使用,但可能先发明于江南沿海(如泉、广)一带应用,故博学如沈括也未见到,今后尚须考古文物工作者努力。内陆后世旱罗盘则多用于风水罗盘校时罗盘,如174/l189曾三异《同话录》“地螺,或有子午正针,或用子午丙壬间缝针。天地南北之正,当用于午。”“地螺”可能是一种校时罗盘,主要用途是校时。

另外,越是靠近两极地区,指南针就越没办法发挥功效:在北极点时,地表上的任何方向都可以被视为南方;在南极点时,地表上的任何方向都可以被视为北方。

打开了世界市场

指南针在航海上的应用对地理大发现和海上贸易有极大的促进作用。指南针的发明源于中国古人如何定向问题的研究,也表明古人对如何定向问题的重视,为此,指南针被誉为中国古代四大发明之一。古代中国人将指南针用于军事和航海的活动,也被用于堪舆术,后来还辗转传入欧洲,在欧洲的航海活动和地理大发现中,发挥了不可替代的重要作用。在航海技术发明中,指南针也是最重要的单项发明。

视频

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参考文献

  1. 跳转 指南车工作原理最早的设计草图是谁发明的 ,线索网,发布时间:2016-08-08 09:49
  2. 跳转 指南鱼,中国古代机械
  3. 跳转 堪舆,汉语词典
  4. 跳转 天然磁铁是怎么形成的?,深圳市亿豪杰磁铁有限公司
  5. 跳转 磁偏角,科普中国

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