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指南針是如何發明和改進的?

指南針在我國的發明經歷了很長時間。新浪發明後,古人不斷改進,通過人工磁化,制成了壹種新的向導工具——導盲魚和導盲龜。

古人在使用新的導向工具的同時,還發現了地磁偏角現象,這對後人有很大啟發。

據說秦始皇在位的時候,身邊圍著壹群魔法師,為他尋找長生不老藥。

壹天,壹個叫徐福的術士說:“東海有三座神山,名為蓬萊、方丈和瀛洲,神仙都住在那裏。請求皇上讓我帶領壹群男女老少去尋求。”

秦始皇非常高興,立刻派了幾千個孩子,為他造了壹艘大船,從現在的山東日照縣出海,尋求青春之藥。誰知道徐福壹去不復返了?我不知道他把這些男孩和女孩帶到哪裏去了。

幾千年過去了,秦始皇早已成為歷史遺跡。但徐福渡海取藥的故事並沒有被遺忘。如果是這樣的話,那麽徐福可以算是中國航海家中的開創者。

其實遠古的先民面對浩瀚的海洋,雖然也有探索其中奧妙的欲望,但總是未能如願。

出海難,不是因為造船技術限制了古人的海外交流,更重要的是因為他們當時在海上無法辨別方向。即使有可以穿越海洋的船只,也會在海上迷失方向,最終葬身海底。

所以指南針的發明可以說是給海船裝上了眼睛,為航海事業的發展提供了最基本的技術條件。

指南針最早是在中國發明的,但經過很長壹段時間後才逐漸發展和完善。

經過新浪的發明,古人能夠在漫長的旅途中辨別方向。然而,新浪有其局限性。新浪用磁鐵做的時候,磁極不太好找,而且在切割的過程中,磁鐵會因為震動而失去壹些磁性。

再加上新浪機箱在使用時必須是平的,體積比較大,使用時很難令人滿意。所以古人發明新浪後,不斷進行改進。

繼新浪之後,我們的祖先制造了壹種新的向導工具,那就是導盲魚。

北宋時期,農業、手工業和商業都有了新的發展。在此基礎上,中國取得了輝煌的科技成就。到了宋代,中國在指南針的制造上有了很大的進步,就像造紙術和印刷術壹樣。

當時有壹部官方的軍事著作叫《武經通論》,裏面記載著行軍時,如果是陰天、天黑,就要讓老馬帶路,或者用指南針、羅盤辨別方向。

《吳京總綱》這本書寫於1044之前。也就是說,當時國內已經有了導盲魚,並且應用到了軍事上。

指南針是由壹片薄鋼制成的,看起來像壹條魚。它長二寸,寬五寸,魚的肚子是凹的,可以像船壹樣浮在水面上。

鋼片做的魚沒有磁性,所以沒有導向作用。如果想讓它成為向導,還必須使用人工磁轉移,使其成為具有磁性的磁鐵。

至於如何人工傳磁,《武學通論》記載,燒紅的鐵片放在經絡方向。鐵片燒紅後,溫度高於磁轉變點的溫度,鐵片中原來無序的磁疇瓦解,變成順磁性。在水中淬火後,再次形成磁疇,但在地磁場的作用下,磁疇是定向的,所以可以指南北。

我國發明人工磁鐵制作導盲魚是壹大進步。這說明我國古人在很久以前就有了相當豐富的磁鐵知識。

鋼針發明後不久,有人發明了鋼針來引導。這個人工磁化的小鋼針可以算是世界上最早制造的真正的指南針。

北宋科學家沈括在《孟茜筆談》中提到壹種人工磁化的方法:技術人員用磁鐵摩擦縫紉針,針就被磁化了。

從現在來看,這是壹種利用天然磁鐵的磁場,使鋼針內磁疇的排列趨向某壹方向,從而使鋼針呈現磁性的方法。

這種方法比地磁法簡單,磁化效果比地磁法好。摩擦法的發明不僅是世界上最早的,也為實用磁指向儀的出現創造了條件。

關於磁針的安裝方法,沈括介紹了四種方法:

壹種是水漂,就是在磁針上放幾根燈芯,讓它浮在水面上,可以指示方向。

第二種是碗唇旋轉法,即把磁針放在碗口邊緣,磁針可以旋轉指示方向。

第三種方法是指甲旋轉,將磁針放在指甲上。由於指甲表面光滑,磁針可以自由旋轉指示方向。

第四種是懸掛法,就是在磁針的中間部位塗上壹些蠟,粘上壹根絲,掛在沒有風的地方,這樣可以指示方向。

沈括也比較了四種方法。他指出,水浮法最大的缺點是水面容易晃動,影響測量結果。碗唇旋轉和指甲旋轉因為摩擦力小所以靈活,但是容易脫落。

沈括推崇懸掛法,認為這是壹種理想而實用的方法。沈括指出的四法,概括了迄今為止指南針裝置的兩種體系,即水針和幹針。

另外,由於長江、黃河流域的地磁有50度左右的傾角,如果將羅盤魚水平放置,只有水平分量起作用,如果以壹定角度放在水中,魚磁化的有效磁場強度會增大,磁化效果會更好。

長江和黃河流域的地磁傾角,這種現象後來被稱為磁偏角。沈括在《孟茜筆談》第二十四卷中寫道,磁針可以導向,“然而,它常常是略微向東的,而不是全部向南的”。

這是世界上現存最早的磁偏角記錄。在西方,直到1492年哥倫布橫渡大西洋時才發現磁偏角,比沈括晚了400多年。

磁偏角是指磁針靜止時,北極與真北之間的角度。每個地方的磁偏角都不壹樣,而且因為磁極也在運動,所以某個地方的磁偏角也會隨之變化。

壹般情況下,我國最大磁偏角可達6度,壹般為兩三度。在東經25度,磁偏角在1到2度之間;在北緯25度以上的地區,磁偏角大於2度;如果是在西經低緯地區,磁偏角為5度到20度;西經45度以上,磁偏角25到50度。毫無疑問,沈括對磁偏角的發現和理解啟發了後人。

南宋學者陳在《石林廣記》中介紹了另壹種導魚、導龜的制作方法。

這種導盲魚與《武要》中記載的不同。用木頭雕成魚形,大如手指。在木魚的肚子裏放壹塊天然磁鐵,磁鐵的S極指向魚的頭部。用蠟封口後,從魚的口中插入壹根針,就成了導盲魚。把它浮在水面上,壹個魚頭導,也是水針的壹種。

導龜也是南宋時流行的新器。在木龜的腹部放置壹塊天然磁鐵,在木龜的腹部下方挖壹個光滑的洞,並將其對齊,放在壹個尖尖的竹釘上,竹釘直立在木板上,這樣木龜就被放置在壹個固定的可自由旋轉的支點上。因為支點處的摩擦力很小,所以木龜可以自由轉動導軌。

這種木制的導盲魚和導盲龜,大概是壹些懂得魔術的方士創造出來的,然後就只用來變魔術了。因此,《石林廣記》的作者把它們視為“不朽的幻覺”。

當時不是用來導航的,是用來幻術的。但這是後來出現的幹旱羅盤的先驅。

人工磁化法的發明對指南針的應用和發展起到了巨大的作用,也是磁學和地磁發展史上的壹件大事。