祖冲之巧制指南车？

②：刘裕，南北朝时期南宋开国，家、家、军事家，曾两度北伐，收复洛阳、长安等地，功勋卓著。后功高震主，代晋自立，史称宋高祖。建国后他对江南经济的发展，汉文化的发扬有重大贡献，被誉为“南朝第一帝”。

祖冲之虽然对这种的态度很反感，但舍不得放弃对这辆车的钻研。多年养成的习惯使他越是遇到难题，就越是干得有劲。他一天到晚心里只想着怎么攻克这个，为后人留点什么。

萧道成掌握刘宋朝的实权以后，他越看这辆车越觉得败兴。所以，当祖冲之接手指南车的工作后，便经常接到萧骠骑大将军的催促通知书。

无独有偶，在祖冲之试制指南车的时候，京城里有个叫索驭驎的高手也想尝试着做一辆。萧道成立马答应，并希望他与祖冲之比一比。他一方面这个刚从北朝迁到刘宋王朝的年轻人，另一方面也想给祖冲之点压力。毕竟是一代开国之君，其心思缜密自同寻常。

“我觉得还是祖县令厉害。天文、数学、机械制造，他样样都精，十几年前就制了《大明历》。就怕这十几年他任县令时只顾为百姓服务，没时间研究！”

原来，这天皇家要举办一项活动：指南车大比拼，主赛手一个是谒者仆射（负责掌朝廷礼仪和传达的官员）祖冲之，一个是从北方来的木工高手索驭驎。

“要不我们打个赌，看谁的眼光准些。”

决定所用的材料之后，接下来就是设计和组装零件。根据自己造水碓磨③的经验，他觉得指南车的原理和水碓磨有相似之处，即都得运用齿轮。

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“那个姓索的小伙子厉害，敢向大将军毛遂自荐，少说有几分！”

从祖冲之的剖视图来看，指南车的主机部分并不复杂，只有五个齿轮加一个长轴。实际上，要想组装合适则并不那么简单。因为齿轮的大小、疏密要求十分精密，稍有差错就会影响整个车子的准确性。怎么样使齿轮安装合理呢？这就靠精确的计算了。

设计完毕，祖冲之又按设计图做了一个木制的模型。几经试验，那个木制模型运转完全符合标准。很快，祖冲之请铜匠、木匠一起合作，自己监督，完成了一辆精美的指南车。

最后，裁判官王僧虔和刘休一致判定，祖冲之的指南车完全合格。骠骑大将军萧道成①当众宣布，以后自己专用祖冲之的指南车。

人群沸腾了，许多人向祖冲之的涌了过去，要么问东问西，要么围着指南车转。此时此刻，祖冲之虽然心情愉快，但表情显得很平静。多年科学研究的磨练，让他具备了与众不同的，即胜不骄，败不馁。对他而言，指南车研制只是自己科学生涯的一个小插曲，而这个小插曲，是他任娄县（今江苏昆山市东北）县令后第一个全国皆知的杰作……

传说毕竟是传说，不能坐实。后来，东汉大科学家张衡，三国发明家马钧都制造指南车，可惜都失传了。东晋过后，由于北方少数民族者打头，各地又兴起了制造指南车“热”，因为门都觉得，出门有个指南车开道，有气派，够威风。

指南车的妙处就在于，不论车子的方向怎么变，车上的木头人指向永远不变。怎样解决这一对变与不变的矛盾呢？关键就在于车中要有一组精密的齿轮。这组齿轮的功能必须达到，车子向左转时，其中一些齿轮就要向右转，反之当车子向右转时，其中一些齿轮就要向左转。这样，只要车子转弯的角度与齿动的角度相当，那么，和齿轮相连接的小木头人就会准确地指向南方了。

指南车结构示意图（网络图）

想清楚了这个原理之后，下一步就是制图了。因为当时没有一张指南车的构造图可依，祖冲之只好凭想象自己创造了。他画了一稿又一稿，最后总算拿出了自己满意的草图。在这张图的剖视部分显示，车厢的中央是一个大平轮，轮上坚起一个长轴，轴上连着那个在外面站着的木头人。大平轮左右各装着一个小平轮，两个小平轮的外侧又各连着一个立齿轮。

没过多久，索驭驎也宣布自己的指南车大功告成。萧道成兴奋不已，决定让祖、索二人来个公开比赛。于是便有开头的一幕。

祖冲之很明白，这个车不是什么新发明。传说，老祖先黄帝和南方的蚩尤部落打仗，蚩尤善施妖术，打仗时常作大雾，用来对方。为了使自己的军队失方向，黄帝派人造了一辆指南车。这个指南车的原理和指南针一样，车中装着一些机械齿轮类的东西，车上装有一个站立姿式、伸开手臂的木头人。车启动后，不论车子怎么转，木头人的手臂始终指向南方。

其实，博学多闻的祖冲之早就对指南车感兴趣了，但他希望自己为广大普通百姓服务，所以便没有深入研究这个专供用的东西。现在既然是工作原因，自然利用好这个机会。

正当人们翘首以待之时，从北边扬起了一阵尘土，两辆指南车一前一后跑了过来。从远处看，它们的外观几乎相同，但两辆车的马颜色不同，一辆车由两匹白马拉着，另一辆则由两匹枣红马拉着。

注释：

中国国家博物馆展出的指南车模型（网络图）

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自此以后，那辆破指南车便成了皇室的“传家宝”：每当出门，都要把它放在仪仗队前面。为了让车上的木头人能照常转动，刘裕还专门派人藏在车箱里面，不断地拨弄那个木头人，就好像我们今天看到的木偶戏一样。

祖冲之的指南车出场了。只见白马脖子上挂了个带红缨的响铃，一走三摇，发出欢快的声音。车子正常速度转弯时，木头人正常工作；快速转弯时，木头指南人动作协调，车向左时它向右，车向右时它则向左，指南方向不变。后续的急速转弯，木头人仍指向准确，毫无差误。

这样的设计法，用今天的专业术语说，就叫差速齿轮原理。

③：水碓磨，一种借水力舂米的工具，流行于中国多数地区。利用水碓磨，可以日夜加工粮食。即在溪流江河的岸边设置水碓，亦可根据水势大小设置多个水碓。

……

原来，半年前，年仅十一岁的宋顺帝刘准即位，朝中实权落到骠骑大将军萧道成手中。萧道成整天想着夺位，无奈时机不成熟，只得暗暗筹备。他想，古代出行都有指南车开道，自己未来要有一辆，那多威风呀？他找了很多人都没制成功。后来，他听说祖冲之制订《大明历》等事迹后，一纸令下，让祖冲之从娄县县令升为当朝的谒者仆射。

祖冲之根据手头上有限的资料推测，前几个指南车内部的机械都是木制的，木制机件至少有两个弱点：一是不耐磨，长期使用，齿轮互相摩擦就容易变形，而变形的齿轮又会引起整个机器运转失准；二是不结实，这也是前几辆指南车“早逝”的原因之一。由此，祖冲之决定在自己创造指南车中改用铜部件。

到了京城之后，祖冲之便奉萧道成的命令，全力投入到指南车的研制发明中。

黄帝像（网络图）

作为后话的是，后代科学家则沿着祖冲之的足迹，继续研发指南车。这些指南车引起国外学术界的重视，国外科学家们还提出了指南车内部结构的各种猜想。目前大英博物馆的指南车就是根据英国学者郎基斯特的差动轮系机构所研发的。李约瑟博士则总结性地指出：无论如何，指南车是人类历史上第一架有共协稳定的机械。这句话可谓是对一代发明家祖冲之在天祖冲之之灵的最好告慰！

据史载，公元349年，后赵国王石虎曾解飞为他制造过指南车；公元399年，后秦国王姚兴让手下人令狐生造过这种车。公元417年，东晋的刘裕②率兵攻打秦首都长安，灭了后秦后，士兵们在众多战利品中发现了姚兴造的那辆指南车。尽管这辆车里面的零件已经荡然，成了徒有虚表的废铁，但刘裕还是爱不释手，当宝贝似的带回了江南。

①：萧道成，南北朝时期南齐开国，西汉丞相萧何二十四世孙。公元478年，萧道成任侍中、司空、录尚书事，骠骑大将军，总掌军国。次年4月，宋顺帝颁诏将帝位禅位，萧道成在建康南郊登基称帝，国号齐，是为齐高帝。公元482年因病去世，年55岁。

公元478年夏季的一天，南朝刘宋王朝京城建康（今江苏南京）的乐游苑里人潮汹涌。一时间，花木前、水池边、廊子里、假山上都挤满小声说话的百姓。作为当时的皇家园林，乐游苑平时只供皇室们游玩，很少人来，为什么现在如此多人呢？

随着裁判官一声令下，比赛正式开始。索驭驎首先上场。两匹枣红马拉的指南车按裁判的口令表演起来。这正是。动作主要有正常速度下的左转弯、右转弯和加速后的左右转弯等。当这辆车做正常运行时，不管车怎么转，车上的木头人手臂始终指向南方。人群中发出啧啧的赞叹声，裁判官也不禁微微点头。可是，在稍后的加速转弯动作环节，指南车经过急转弯后手臂指向渐渐失准，偏差越来越大。人群顿时哗然，裁判官只得宣布试演结束。

计算正好是祖冲之的强项，毕竟他已经计算过圆周率，这回怎么说也要轻松些。他反复地计算，直到确认每个齿轮的都合乎要求，才告。