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最早的“导航仪器”关于指南针的那些事
指南针的足迹
人们对生活环境熟悉，明确“东南西北”方向的概念，所以才不会迷路。假如我们处在没有星辰的夜晚、漆黑的荒郊野地、人迹罕至的深山密林、漫无边际的沙漠、烟波浩瀚的海洋……应该利用什么来辨别方向呢？答案就是——指南针。
机械结构巧妙的指南车
在发明指南针以前，我们祖先为辨别方向发明了指南车。相传在四千多年前，古代黄帝时期就出现了指南车。
那时，黄帝的部落与另一个部落联盟发生了战争，但那个部落首领蚩尤有会作大雾的妖法，使黄帝族士兵因辨不清方向而乱作一团，结果打了败仗。于是黄帝召集谋士精心研究，造出了指示方向的指南车后再次出兵，最终战胜了蚩尤。
当然，这些都只是传说。据古书记载，我国在春秋时代确实有了指南车，此后各朝代也有关于指南车的记载。如东汉科学家张衡，
三国时魏国的科学家马钧，东晋时后赵的魏猛和解飞，5世纪初后秦的令狐生，9世纪初唐朝的金公立，以及11世纪北宋中期的燕肃和吴德仁都先后制造过指南车。而南北朝时代的数学家祖冲之，曾将一辆只剩外壳的指南车修复如初。
古人造车都是自行创制的，因此其式样、规格大小不可能完全一致。如魏国的马钧虽然没有见过指南车，但经过巧妙设计自行造出了一架玲珑的指南车，后被皇帝所占用。历代史书对指南车记载都较为简略，并缺乏对具体机械结构设计的记述。直到北宋时期的燕肃，在公元1027年把指南车献给皇帝时写有呈文，详细介绍了指南车的形状和内部构造，此事在《宋史》中有记载。据此，后人才得知历代指南车的具体结构。
燕肃造的指南车是由四匹马拉动的双轮车，车上装有长方形的车箱，车箱外部装饰为形象生动的雕刻和色彩鲜明的图画，车箱内是运用机械传动原理的大小齿轮联动装置，大齿轮平放在车箱中间，中心矗立着一根杆子，其顶端装了一个伸臂指着方向的木人，但在使用车辆前须调整好木人所指的方向 ——南方位置。
那么，指南车的奥秘究竟在何处？原来指南车的关键在于齿轮传动机构的设计，现代机械制造称“差动齿轮系” —— 一种能自动离合的齿轮系。
当车辆偏离正南方向，向左（即向东）转弯时，车辕前端向左移动，而右端就向右（即向西）移动，恰好抵消车辆向左转弯的影响，使木人手臂所指方向不变；如向右（即向西）转弯时，原理亦同；若车辆向正南方行驶时，车辆和木人下的大齿轮则是分离的，因此木人不受车轮转动的影响。《中国科学技术史稿》中评述：指南车是古代巧妙的自动化机械，结构均很简单，构思十分灵巧，是我国古代技术的卓越成就。
由于指南车看似简单但制造困难，而且体积庞大笨重，携带和使用十分不便，因而实用价值不高，发展受到制约。可惜由于社会动荡，闪烁祖先智慧结晶的指南车这一瑰宝未能完好地保存下来。
指极性仪器的探索征程
我国早在春秋时期已有铸铁技术，人们在开矿和冶炼过程中，对铁矿石的性质逐渐有了认识，并在生产实践中发现了磁石能吸铁的特点，这在当时及以后的史书中都有记载。《山海经》中写道：“西流注于泑泽，其中多慈石。” 古代曾将磁石称为“慈石”，意为“慈石取铁，如慈母之招之”。又如《鬼谷子·反应篇》中明确指出“磁石可以吸取铁针”。
我们祖先不仅发现了磁石的吸铁性，还发现它具有指极性。如果把一根棒状磁石用线系在中间悬空挂起，静止时，它的一端指向南方，另一端则指向北方。因为整个地球是一块大磁铁，磁极位于地理南北极附近。
早在2200多年前，我国已利用磁石的指极性制成了指示方向的仪器——司南。
战国时期《韩非子·有度》
中记载了用磁石制成司南（即指南）的事，说“先王立司南以端朝夕”。 在公元1世纪初，东汉初年王充所著的《论衡·是应》中写道：“司南之勺，投之于地，其柢指南。”有关文献也对司南有详尽的记述：司南的外观模样像一个汤匙，有长柄和光滑勺的圆底，放在地盘中一个平面特别光滑的“圆盘”上；地盘呈正方形，以铜质或木质材料制成。围绕“圆盘”在地盘上刻着八卦或天干、地干，以表示方向位置。这个“汤匙”是用磁石磨成的，置放在“圆盘”上可以自由转动，待静止时勺柄所指的方向便是南方。
司南使用时必须配有地盘，即“罗盘”的前身，所以后人把指南针也称作“罗盘针”。然而，天然的磁石很不牢固，遇到震动和高热容易失磁，而且它与地盘接触转动摩擦的阻力又较大，难以达到预期的精准指南效果而未被广泛使用。
如果将祖先发现磁石看做探索的火把，那么司南的发明则是发现的果实。我们的祖先不断奋进，以执著的信念催生着探索力量。到了宋代，人们在人工磁化和使用磁针的方法上取得了重大进展，催生了指南针的发明和广泛的应用。
北宋时期的古书载有制作“指南鱼”的方法：“用薄铁叶剪裁，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。”这是一种利用强大地磁场的作用，使铁片磁化的方法。用此法制成的指南鱼会浮在水面上自由转动，在它静止下来时，鱼头则指向南方。指南鱼在携带和使用上都比司南方便，而且指向性更好。
另一种人工磁化方法为“方家以磁石摩针棒，则能指南”。人们发现铁在磁石上研磨也带磁性，而且磁化比较稳固，这为具有实用价值的磁体指向仪器的出现创造了重要的技术条件。
宋代科学家沈括总结了人们长期探索的实践成果，
在他所著的《梦溪笔谈》中阐述了四种磁针的装置与使用方法：第一种“水浮法”，即将几小段灯草横穿在带磁的钢针眼上，使磁针浮于水面，类同指南鱼；第二种“指甲旋定法”和第三种“碗唇旋定法”，分别是把磁针放在指甲上和碗边上，使磁针可以灵活转动，但它很容易滑落；第四种“缕悬法”，即用一小滴黄腊把磁针的中部粘在蚕丝上，然后悬挂在无风处，针尖会一直指向南方。
宋朝末年的陈元靓在《事林广记》中记载了一种当时流行的指南龟装置：将木头刻成鱼或乌龟状，将其肚里挖空，装置一块天然磁石，用黄腊封闭，把它浮在水中或支撑在顶端尖滑的竹针上，使木鱼或木龟可以自由转动以指南。
如今，我们日常所使用的指南针以及在交通运输、国防军事等领域运用的各类指南仪器，尽管结构上更复杂、更精密，但是其基本原理都离不开中国古代开创的水浮、悬挂和支撑这几种方法。
指南针最早应用于航海
宋朝指南针的制造水平已趋成熟，科学家沈括在《梦溪笔谈》中指出，指南针并不是完全指在正南。测算结果显示，指南针所指的方向要稍微偏东一些，这个偏向叫做“磁偏角”。这是个重要的科学发现，比哥伦布远渡大西洋时发现磁偏角，要早四百多年。
指南针问世后很快被应用于航海。公元1119年，宋朝朱彧所著《萍洲可谈》中记载：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针。”这是世界航海史上使用指南针的最早记录。北宋宣和五年（公元1123年），徐競奉命从宁波坐船出海去朝鲜，在《宣和奉使高丽图经》中也有描述：船上使用的一种采取水浮法的指南针，船头船尾各放一只，阴雨天就靠它来辨别方向。
世上真正的发明几乎都极难一次性完成，指南针完善、改进的步伐同样没有停止。我们祖先经过不断实践，创造了把指南针和司南的地盘相结合的“罗盘针”，即罗盘。罗盘上刻有准确的方位，因此能很方便地辨认航行方向。在南宋吴牧所著《梦梁录》中也说：“惟凭针盘而行。”可见“罗盘”当时已作为航海时的主要仪器了，不论昼夜阴晴，出海都可以“罗盘”导航，实现了全天候航行。
指南针的发明使中国的航海事业达到了世界最高水平，广州、泉州、宁波等都是对外港口。公元1281年，元代郑震率商船从福建泉州出发，经过三个月的航行到达斯里兰卡。后来商船凭借指南针多次往返在印度洋上。
明代郑和率领两万多人组成的庞大船队，共有200多艘船，于15世纪初七下西洋（指南洋群岛和印度洋一带），这支舰队所用的航海仪器包括罗盘、测深器和牵星板（由观测北极星辰地平高度从而为计算船舶夜间所在的地理纬度的仪器），由此可见当时我国已拥有先进完备的航海仪器了。
据科技史记载：我国在宋、元时期，对外贸易和海上交通已经很发达，通过广泛的贸易交往，指南针很自然地传入阿拉伯、波斯（伊朗）等国，后又从阿拉伯等国再传入欧洲，并且一直使用至今。
