指南车原理【“黄帝指南车”复原】

王振铎先生复原的指南车，从外表看上去和平常的车没有什么太大区别，最大的不同就是在车的顶端有一个木人，只要在车子出发前让木人的手指向南方，此后在行进中无论车子如何转向，车上的木人都能及时旋转保持手指南方，这辆看上去很普通的车为什么具有这样的功能呢？这主要是因为指南车有一组设计非常巧妙的齿轮系统，齿轮系统中间的一个大齿轮和左右两个小齿轮组成，大齿轮与指示方向的木人相连，两个小齿轮与左右两个车轮连接。当车子向正南方向行驶时，大齿轮和两个小齿轮不接触，所以木人不受车轮转动的影响；因此手始终指向南方。当车子向左转弯时，木人在开始也会随着车向左转，这时由于车子底部车辕的作用，右侧的小齿轮落下和大齿轮啮合，进而产生传动作用，拉着木人向右旋转重新指向南方。反之，车子向右转弯，也有相同效果。

2001年9月，河南油田实验中学高中生李琛报名参加河南省科协青少年活动中心的“再造指南车”工作。李琛发现王振铎先生复原的指南车是利用离合和齿轮传动系统来造的，这些技术只有在三国时期才逐渐成熟的，黄帝时期还是原始社会，生产力很低，像指南这样的系统不可能造出来，所以齿轮不符合当时的历史背景，应该做更简单的。

在一次查阅资料时，李琛被一句话吸引：“复原指南车的两个车轮间的距离和车轮间的直径相等，都是六尺。”指南车能指示方向是否与此有关，会不会与圆有关？带着疑问，李琛对车轮距离进行调整。他发现，两轮之间的距离和车轮直径相等时，将两轮刻标记对准南方，车子随便走，只要两轮刻度对齐，车头所指的方向永远是南方。随后，李琛又对车子进行改造，使车子不仅能定向，还能指向。他在轮子上刻度数，当外轮行程大于内轮行程时，行程之差与转向角度数有关，即两车轮的弧度差与转向角相等，从而知道方向。