機械結構巧妙的指南車
在發明指南針以前，我們祖先為辨別方向發明了指南車。相傳在四千多年前，古代黃帝時期就出現了指南車。
那時，黃帝的部落與另一個部落聯盟發生了戰爭，但那個部落首領蚩尤有會作大霧的妖法，使黃帝族士兵因辨不清方向而亂作一團，結果打了敗仗。於是黃帝召集謀士精心研究，造出了指示方向的指南車後再次出兵，最終戰勝了蚩尤。
當然，這些都只是傳說。據古書記載，中國在春秋時代確實有了指南車，此後各朝代也有關於指南車的記載。如東漢科學家張衡，
三國時魏國的科學家馬鈞，東晉時後趙的魏猛和解飛，5世紀初後秦的令狐生，9世紀初唐朝的金公立，以及11世紀北宋中期的燕肅和吳德仁都先後製造過指南車。而南北朝時代的數學家祖沖之，曾將一輛只剩外殼的指南車修復如初。
古人造車都是自行創制的，因此其式樣、規格大小不可能完全一致。如魏國的馬鈞雖然沒有見過指南車，但經過巧妙設計自行造出了一架玲瓏的指南車，後被皇帝所佔用。歷代史書對指南車記載都較為簡略，並缺乏對具體機械結構設計的記述。直到北宋時期的燕肅，在公元1027年把指南車獻給皇帝時寫有呈文，詳細介紹了指南車的形狀和內部構造，此事在《宋史》中有記載。據此，後人才得知歷代指南車的具體結構。
燕肅造的指南車是由四匹馬拉動的雙輪車，車上裝有長方形的車箱，車箱外部裝飾為形象生動的雕刻和色彩鮮明的圖畫，車箱內是運用機械傳動原理的大小齒輪聯動裝置，大齒輪平放在車箱中間，中心矗立著一根杆子，其頂端裝了一個伸臂指著方向的木人，但在使用車輛前須調整好木人所指的方向 ——南方位置。
那麼，指南車的奧秘究竟在何處？原來指南車的關鍵在於齒輪傳動機構的設計，現代機械製造稱“差動齒輪系” —— 一種能自動離合的齒輪系。
當車輛偏離正南方向，向左（即向東）轉彎時，車轅前端向左移動，而右端就向右（即向西）移動，恰好抵消車輛向左轉彎的影響，使木人手臂所指方向不變；如向右（即向西）轉彎時，原理亦同；若車輛向正南方行駛時，車輛和木人下的大齒輪則是分離的，因此木人不受車輪轉動的影響。《中國科學技術史稿》中評述：指南車是古代巧妙的自動化機械，結構均很簡單，構思十分靈巧，是中國古代技術的卓越成就。
由於指南車看似簡單但製造困難，而且體積龐大笨重，攜帶和使用十分不便，因而實用價值不高，發展受到制約。可惜由於社會動盪，閃爍祖先智慧結晶的指南車這一瑰寶未能完好地儲存下來。
指極性儀器的探索征程
中國早在春秋時期已有鑄鐵技術，人們在開礦和冶煉過程中，對鐵礦石的性質逐漸有了認識，並在生產實踐中發現了磁石能吸鐵的特點，這在當時及以後的史書中都有記載。《山海經》中寫道：“西流注於泑澤，其中多慈石。” 古代曾將磁石稱為“慈石”，意為“慈石取鐵，如慈母之招之”。又如《鬼谷子·反應篇》中明確指出“磁石可以吸取鐵針”。
我們祖先不僅發現了磁石的吸鐵性，還發現它具有指極性。如果把一根棒狀磁石用線系在中間懸空掛起，靜止時，它的一端指向南方，另一端則指向北方。因為整個地球是一塊大磁鐵，磁極位於地理南北極附近。
早在2200多年前，中國已利用磁石的指極性製成了指示方向的儀器——司南。
戰國時期《韓非子·有度》
中記載了用磁石製成司南（即指南）的事，說“先王立司南以端朝夕”。 在公元1世紀初，東漢初年王充所著的《論衡·是應》中寫道：“司南之勺，投之於地，其柢指南。”有關文獻也對司南有詳盡的記述：司南的外觀模樣像一個湯匙，有長柄和光滑勺的圓底，放在地盤中一個平面特別光滑的“圓盤”上；地盤呈正方形，以銅質或木質材料製成。圍繞“圓盤”在地盤上刻著八卦或天干、地幹，以表示方向位置。這個“湯匙”是用磁石磨成的，置放在“圓盤”上可以自由轉動，待靜止時勺柄所指的方向便是南方。
司南使用時必須配有地盤，即“羅盤”的前身，所以後人把指南針也稱作“羅盤針”。然而，天然的磁石很不牢固，遇到震動和高熱容易失磁，而且它與地盤接觸轉動摩擦的阻力又較大，難以達到預期的精準指南效果而未被廣泛使用。
如果將祖先發現磁石看做探索的火把，那麼司南的發明則是發現的果實。我們的祖先不斷奮進，以執著的信念催生著探索力量。到了宋代，人們在人工磁化和使用磁針的方法上取得了重大進展，催生了指南針的發明和廣泛的應用。
北宋時期的古書載有製作“指南魚”的方法：“用薄鐵葉剪裁，長二寸、闊五分，首尾銳如魚形，置炭火中燒之，候通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對子位，蘸水盆中，沒尾數分則止，以密器收之。”這是一種利用強大地磁場的作用，使鐵片磁化的方法。用此法制成的指南魚會浮在水面上自由轉動，在它靜止下來時，魚頭則指向南方。指南魚在攜帶和使用上都比司南方便，而且指向性更好。
另一種人工磁化方法為“方家以磁石摩針棒，則能指南”。人們發現鐵在磁石上研磨也帶磁性，而且磁化比較穩固，這為具有實用價值的磁體指向儀器的出現創造了重要的技術條件。
宋代科學家沈括總結了人們長期探索的實踐成果，
在他所著的《夢溪筆談》中闡述了四種磁針的裝置與使用方法：第一種“水浮法”，即將幾小段燈草橫穿在帶磁的鋼針眼上，使磁針浮於水面，類同指南魚；第二種“指甲旋定法”和第三種“碗唇旋定法”，分別是把磁針放在指甲上和碗邊上，使磁針可以靈活轉動，但它很容易滑落；第四種“縷懸法”，即用一小滴黃臘把磁針的中部粘在蠶絲上，然後懸掛在無風處，針尖會一直指向南方。
宋朝末年的陳元靚在《事林廣記》中記載了一種當時流行的指南龜裝置：將木頭刻成魚或烏龜狀，將其肚裡挖空，裝置一塊天然磁石，用黃臘封閉，把它浮在水中或支撐在頂端尖滑的竹針上，使木魚或木龜可以自由轉動以指南。
如今，我們日常所使用的指南針以及在交通運輸、國防軍事等領域運用的各類指南儀器，儘管結構上更復雜、更精密，但是其基本原理都離不開中國古代開創的水浮、懸掛和支撐這幾種方法。
指南針最早應用於航海
宋朝指南針的製造水平已趨成熟，科學家沈括在《夢溪筆談》中指出，指南針並不是完全指在正南。測算結果顯示，指南針所指的方向要稍微偏東一些，這個偏向叫做“磁偏角”。這是個重要的科學發現，比哥倫布遠渡大西洋時發現磁偏角，要早四百多年。
指南針問世後很快被應用於航海。公元1119年，宋朝朱彧所著《萍洲可談》中記載：“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦則觀指南針。”這是世界航海史上使用指南針的最早記錄。北宋宣和五年（公元1123年），徐競奉命從寧波坐船出海去北韓，在《宣和奉使高麗圖經》中也有描述：船上使用的一種採取水浮法的指南針，船頭船尾各放一隻，陰雨天就靠它來辨別方向。
世上真正的發明幾乎都極難一次性完成，指南針完善、改進的步伐同樣沒有停止。我們祖先經過不斷實踐，創造了把指南針和司南的地盤相結合的“羅盤針”，即羅盤。羅盤上刻有準確的方位，因此能很方便地辨認航行方向。在南宋吳牧所著《夢梁錄》中也說：“惟憑針盤而行。”可見“羅盤”當時已作為航海時的主要儀器了，不論晝夜陰晴，出海都可以“羅盤”導航，實現了全天候航行。
指南針的發明使中國的航海事業達到了世界最高水平，廣州、泉州、寧波等都是對外港口。公元1281年，元代鄭震率商船從福建泉州出發，經過三個月的航行到達斯里蘭卡。後來商船憑藉指南針多次往返在印度洋上。
明代鄭和率領兩萬多人組成的龐大船隊，共有200多艘船，於15世紀初七下西洋（指南洋群島和印度洋一帶），這支艦隊所用的航海儀器包括羅盤、測深器和牽星板（由觀測北極星辰地平高度從而為計算船舶夜間所在的地理緯度的儀器），由此可見當時中國已擁有先進完備的航海儀器了。
據科技史記載：中國在宋、元時期，對外貿易和海上交通已經很發達，透過廣泛的貿易交往，指南針很自然地傳入阿拉伯、波斯（伊朗）等國，後又從阿拉伯等國再傳入歐洲，並且一直使用至今。
機械結構巧妙的指南車
在發明指南針以前，我們祖先為辨別方向發明了指南車。相傳在四千多年前，古代黃帝時期就出現了指南車。
那時，黃帝的部落與另一個部落聯盟發生了戰爭，但那個部落首領蚩尤有會作大霧的妖法，使黃帝族士兵因辨不清方向而亂作一團，結果打了敗仗。於是黃帝召集謀士精心研究，造出了指示方向的指南車後再次出兵，最終戰勝了蚩尤。
當然，這些都只是傳說。據古書記載，中國在春秋時代確實有了指南車，此後各朝代也有關於指南車的記載。如東漢科學家張衡，
三國時魏國的科學家馬鈞，東晉時後趙的魏猛和解飛，5世紀初後秦的令狐生，9世紀初唐朝的金公立，以及11世紀北宋中期的燕肅和吳德仁都先後製造過指南車。而南北朝時代的數學家祖沖之，曾將一輛只剩外殼的指南車修復如初。
古人造車都是自行創制的，因此其式樣、規格大小不可能完全一致。如魏國的馬鈞雖然沒有見過指南車，但經過巧妙設計自行造出了一架玲瓏的指南車，後被皇帝所佔用。歷代史書對指南車記載都較為簡略，並缺乏對具體機械結構設計的記述。直到北宋時期的燕肅，在公元1027年把指南車獻給皇帝時寫有呈文，詳細介紹了指南車的形狀和內部構造，此事在《宋史》中有記載。據此，後人才得知歷代指南車的具體結構。
燕肅造的指南車是由四匹馬拉動的雙輪車，車上裝有長方形的車箱，車箱外部裝飾為形象生動的雕刻和色彩鮮明的圖畫，車箱內是運用機械傳動原理的大小齒輪聯動裝置，大齒輪平放在車箱中間，中心矗立著一根杆子，其頂端裝了一個伸臂指著方向的木人，但在使用車輛前須調整好木人所指的方向 ——南方位置。
那麼，指南車的奧秘究竟在何處？原來指南車的關鍵在於齒輪傳動機構的設計，現代機械製造稱“差動齒輪系” —— 一種能自動離合的齒輪系。
當車輛偏離正南方向，向左（即向東）轉彎時，車轅前端向左移動，而右端就向右（即向西）移動，恰好抵消車輛向左轉彎的影響，使木人手臂所指方向不變；如向右（即向西）轉彎時，原理亦同；若車輛向正南方行駛時，車輛和木人下的大齒輪則是分離的，因此木人不受車輪轉動的影響。《中國科學技術史稿》中評述：指南車是古代巧妙的自動化機械，結構均很簡單，構思十分靈巧，是中國古代技術的卓越成就。
由於指南車看似簡單但製造困難，而且體積龐大笨重，攜帶和使用十分不便，因而實用價值不高，發展受到制約。可惜由於社會動盪，閃爍祖先智慧結晶的指南車這一瑰寶未能完好地儲存下來。
指極性儀器的探索征程
中國早在春秋時期已有鑄鐵技術，人們在開礦和冶煉過程中，對鐵礦石的性質逐漸有了認識，並在生產實踐中發現了磁石能吸鐵的特點，這在當時及以後的史書中都有記載。《山海經》中寫道：“西流注於泑澤，其中多慈石。” 古代曾將磁石稱為“慈石”，意為“慈石取鐵，如慈母之招之”。又如《鬼谷子·反應篇》中明確指出“磁石可以吸取鐵針”。
我們祖先不僅發現了磁石的吸鐵性，還發現它具有指極性。如果把一根棒狀磁石用線系在中間懸空掛起，靜止時，它的一端指向南方，另一端則指向北方。因為整個地球是一塊大磁鐵，磁極位於地理南北極附近。
早在2200多年前，中國已利用磁石的指極性製成了指示方向的儀器——司南。
戰國時期《韓非子·有度》
中記載了用磁石製成司南（即指南）的事，說“先王立司南以端朝夕”。 在公元1世紀初，東漢初年王充所著的《論衡·是應》中寫道：“司南之勺，投之於地，其柢指南。”有關文獻也對司南有詳盡的記述：司南的外觀模樣像一個湯匙，有長柄和光滑勺的圓底，放在地盤中一個平面特別光滑的“圓盤”上；地盤呈正方形，以銅質或木質材料製成。圍繞“圓盤”在地盤上刻著八卦或天干、地幹，以表示方向位置。這個“湯匙”是用磁石磨成的，置放在“圓盤”上可以自由轉動，待靜止時勺柄所指的方向便是南方。
司南使用時必須配有地盤，即“羅盤”的前身，所以後人把指南針也稱作“羅盤針”。然而，天然的磁石很不牢固，遇到震動和高熱容易失磁，而且它與地盤接觸轉動摩擦的阻力又較大，難以達到預期的精準指南效果而未被廣泛使用。
如果將祖先發現磁石看做探索的火把，那麼司南的發明則是發現的果實。我們的祖先不斷奮進，以執著的信念催生著探索力量。到了宋代，人們在人工磁化和使用磁針的方法上取得了重大進展，催生了指南針的發明和廣泛的應用。
北宋時期的古書載有製作“指南魚”的方法：“用薄鐵葉剪裁，長二寸、闊五分，首尾銳如魚形，置炭火中燒之，候通赤，以鐵鈐鈐魚首出火，以尾正對子位，蘸水盆中，沒尾數分則止，以密器收之。”這是一種利用強大地磁場的作用，使鐵片磁化的方法。用此法制成的指南魚會浮在水面上自由轉動，在它靜止下來時，魚頭則指向南方。指南魚在攜帶和使用上都比司南方便，而且指向性更好。
另一種人工磁化方法為“方家以磁石摩針棒，則能指南”。人們發現鐵在磁石上研磨也帶磁性，而且磁化比較穩固，這為具有實用價值的磁體指向儀器的出現創造了重要的技術條件。
宋代科學家沈括總結了人們長期探索的實踐成果，
在他所著的《夢溪筆談》中闡述了四種磁針的裝置與使用方法：第一種“水浮法”，即將幾小段燈草橫穿在帶磁的鋼針眼上，使磁針浮於水面，類同指南魚；第二種“指甲旋定法”和第三種“碗唇旋定法”，分別是把磁針放在指甲上和碗邊上，使磁針可以靈活轉動，但它很容易滑落；第四種“縷懸法”，即用一小滴黃臘把磁針的中部粘在蠶絲上，然後懸掛在無風處，針尖會一直指向南方。
宋朝末年的陳元靚在《事林廣記》中記載了一種當時流行的指南龜裝置：將木頭刻成魚或烏龜狀，將其肚裡挖空，裝置一塊天然磁石，用黃臘封閉，把它浮在水中或支撐在頂端尖滑的竹針上，使木魚或木龜可以自由轉動以指南。
如今，我們日常所使用的指南針以及在交通運輸、國防軍事等領域運用的各類指南儀器，儘管結構上更復雜、更精密，但是其基本原理都離不開中國古代開創的水浮、懸掛和支撐這幾種方法。
指南針最早應用於航海
宋朝指南針的製造水平已趨成熟，科學家沈括在《夢溪筆談》中指出，指南針並不是完全指在正南。測算結果顯示，指南針所指的方向要稍微偏東一些，這個偏向叫做“磁偏角”。這是個重要的科學發現，比哥倫布遠渡大西洋時發現磁偏角，要早四百多年。
指南針問世後很快被應用於航海。公元1119年，宋朝朱彧所著《萍洲可談》中記載：“舟師識地理，夜則觀星，晝則觀日，陰晦則觀指南針。”這是世界航海史上使用指南針的最早記錄。北宋宣和五年（公元1123年），徐競奉命從寧波坐船出海去北韓，在《宣和奉使高麗圖經》中也有描述：船上使用的一種採取水浮法的指南針，船頭船尾各放一隻，陰雨天就靠它來辨別方向。
世上真正的發明幾乎都極難一次性完成，指南針完善、改進的步伐同樣沒有停止。我們祖先經過不斷實踐，創造了把指南針和司南的地盤相結合的“羅盤針”，即羅盤。羅盤上刻有準確的方位，因此能很方便地辨認航行方向。在南宋吳牧所著《夢梁錄》中也說：“惟憑針盤而行。”可見“羅盤”當時已作為航海時的主要儀器了，不論晝夜陰晴，出海都可以“羅盤”導航，實現了全天候航行。
指南針的發明使中國的航海事業達到了世界最高水平，廣州、泉州、寧波等都是對外港口。公元1281年，元代鄭震率商船從福建泉州出發，經過三個月的航行到達斯里蘭卡。後來商船憑藉指南針多次往返在印度洋上。
明代鄭和率領兩萬多人組成的龐大船隊，共有200多艘船，於15世紀初七下西洋（指南洋群島和印度洋一帶），這支艦隊所用的航海儀器包括羅盤、測深器和牽星板（由觀測北極星辰地平高度從而為計算船舶夜間所在的地理緯度的儀器），由此可見當時中國已擁有先進完備的航海儀器了。
據科技史記載：中國在宋、元時期，對外貿易和海上交通已經很發達，透過廣泛的貿易交往，指南針很自然地傳入阿拉伯、波斯（伊朗）等國，後又從阿拉伯等國再傳入歐洲，並且一直使用至今。