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指南针的发明与应用
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早在战国时期，就有关于指南针的始祖“司南”的记载。《韩非子·有度篇》里有“先王立司南以端朝夕”的话，端朝夕就是正四方的意思。而这里的司南大概是用天然磁石制成的，样子像勺，圆底，置于平滑的刻有方位的“地盘”上，其勺柄能指南的磁体指向仪器，即所谓“司南之勺，投之于地，其柢指南”【13】。这是人们在长期使用磁石的过程中，对磁体指极性认识的实际应用，是指南针发明前最初的也是最重要的创造。但是，由于用天然磁石琢磨司南时，容易因打击、受热而失磁，所以司南的磁性较弱，而且它与地盘接触处转动摩擦的阻力又较大，难以达到预期的指南效果。这可能是司南在相当长时间内未能得到广泛使用的主要原因。
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航海事业的发展，需要有较好的指向仪器，这给磁体指向仪器的进步以直接的刺激和推动。经过长期的实践与反复的试验，到宋代，人们在人工磁化方法和使用磁针的方法两个方面的探索，取得了重大的进展，导致了指南针的发明和广泛的应用。
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在《武经总要》前集卷15中，载有制指南鱼的方法：“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。”从现代的知识看，这是一种利用强大地磁场的作用使铁片磁化的方法。把铁片烧红，令“正对子位”，可使铁鱼内部处于较活动状态的磁畴顺着地球磁场方向排列，达到磁化的目的。蘸入水中，可把磁畴的规则排列较快地固定下来。而鱼尾略为向下倾斜，可起增大磁化程度的作用。其记述虽属寥寥数语，却内涵丰富又合乎科学道理，显然是人们经过反复试验总结出来的较为有效的工艺方法。人工磁化方法的发明，在磁学和地磁学的发展史上是一件大事。但该法所得的磁性仍较弱，其实用价值还不大。
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另一种人工磁化的方法，见《梦溪笔谈》卷24所载：“方家以磁石摩针锋，则能指南。”从现在的观点来看，这是一种利用天然磁石的磁场作用，使钢针内部磁畴的排列规则化而让钢针显示出磁性的方法。它既简便又有效，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。
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关于磁针的装置方法，沈括提到了“水浮”，置“指爪及碗唇上”以及“缕悬”四种。曾公亮所述指南鱼用的也是水浮法。这种方法在宋元时期应用较多。但正如沈括所指出的“水浮多荡摇”，是该法的重大缺点，对于二、三两法，沈括指出了其长处是“运转尤速”，短处是“坚滑易坠”。沈括比较推重的是第四法，“其法取新纡中独茧缕，以芥子许蜡缀于针腰，无风处悬之，则针常指南”。这确是一种较好的装置方法。南宋陈元靓在《事林广记》中还介绍了一种当时流行的指南龟装置新法：将一块天然磁石安装在木刻的指南龟腹内，在木龟腹下挖一光滑的小穴，对准了放在顶端尖滑的竹钉子上。使支点处摩擦阻力很小，木龟便可自由转动以指南。这就是后来出现的旱罗盘的先声。
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指南针一经发明，很快就被应用于航海。成书年代略晚于《梦溪笔谈》的朱彧所著《萍洲可谈》（1119年）卷2中，已有明确记载：“舟师识地理，夜则观星，昼则观日，阴晦则观指南针。”二十几年以后，徐兢的《宣和奉使高丽图经》也有类似的记录：“惟视星斗前迈，若晦冥则用指南浮针，以揆南北。”到元代，不论昼夜阴晴都用指南针导航了。与之相应的还出现了某些航线的以罗盘（指南浮针）指示海路的著作。这表明了指南针在航海中的重要性更加显著了，同时，这又是指南针的制作技术和使用技巧臻于成熟的反映。
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图7－3 指南针四种装置方法示意图
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指南针的应用，使人们获得了全天候航行的能力，人类才第一次得到了在茫茫大海上航行的自由。从此，人们陆续开辟了许多新航线，缩短了航程，加速了航运，促进了各国人民之间的文化交流与贸易往来。指南针的发明和应用是我国人民对于人类的重大贡献之一。
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海运的发展
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唐代，我国船工在开辟新航线方面作出了许多贡献。842年，我国航海木帆船船长李邻德驾驶海船自宁波启程，沿我国海岸北行经山东、辽宁到朝鲜，然后到日本。这一条航线基本上还是沿海岸航行。843年，我国航海商船船长李处人首次开辟了由日本嘉值岛直达我国浙江省温州的新航线，全程约需6昼夜。859年，我国航海商船由宁波开船，趁西风直放日本嘉值岛那留浦，全程仅需3天，创造了中日间航程的新纪录。唐宋时期，由于我国造船事业的高度发展以及勇敢、勤劳的水手和船长们一次又一次地开辟新航线，因而我国航海事业获得了空前的发展。
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1281年，我国航海商船船长郑震的海船从泉州载使臣出国，经3个月时间到达斯里兰卡。以后郑震在3年当中三度往返印度洋航线，每次均用3个月时间。
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我国国内沿海的海运以元代最为发达。元政府举办了长期的大规模的海运，以运输江浙一带的米粮到大都（今北京）。元代海运是由朱清和张瑄所开创。南宋末，朱清、张瑄即以大沙船称雄海上。入元之后，元政府命朱清、张瑄造平底船60艘（沙船在宋代称防沙平底船，元代称平底船，到明中叶才通称为沙船），运粮6万4千石。元代海运最盛时年运量达360万石。由于海运事业的发展，1311年，常熟船户苏显在西暗沙处以己船2只竖立旗缨，作为航标。以后元政府又在成山龙王庙前高筑土山，日间悬布帆，夜间点灯火指引海船航行。这是北洋航线的情况。南洋航线在南宋时期，宋政府已在杭州设立灯塔，其他重要港口也有相应措施。
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元政府经办的以运粮为主的海运，从1282—1329年，共历47年。起初，大船不过千石，小船不过300石，即40～130吨。而据《元海运志》称：“延祐（1314年）以来，如造海船，大者八九千，小者二千余石，岁运粮360万石。”30年间，发展成为300～1200吨的大型海船了。元代海运的巨大发展，一方面和造船技术的发展紧密相关，另一方面和新航线的开辟也是分不开的。13世纪末，熟悉我国北洋航线的千户殷明略，不仅订出了中国和朝鲜、日本之间的航线，还在我国北方沿海，开辟了一条由长江口直达天津的新航线。首先从太仓刘家港直接驶往长江口“三沙”，而不经过撑脚沙；出海后直放成山角，不经扁担沙和青水洋；避开了长江口许多暗沙，在渤海湾经沙门岛直达天津，不经过烟台。殷明略所开辟的这一条新航线，比朱清的航线更短，航程仅需10天左右，后人称为“殷明略航线”。
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宋元时期，我国航海事业的发展，许多新航线的开辟，与指南针的发明以及指南针应用于航海是分不开的。
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造船技术的鼎盛
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宋代，我国船工不断有出色的创造，许多新船型纷纷出现，它标志着造船技术趋于鼎盛。
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1169年，水军统制官冯湛打造多桨船一艘。这是一艘综合型的新式桨船，新船型采用了“湖船底”、“战船盖”、“海船头尾”。湖船底可以涉浅，战船盖可以迎敌，海船头尾可以破浪。船长8丈3尺，阔2丈，800料，用桨42支。这种新型桨船性能极佳，江河湖海无往不可。载甲士200人，而往来极轻便，足见这是一种新式中型快速舰艇。它体现出我国船工十分熟悉地掌握了各种船型的最佳性能，并能各取其长，把几种船型的长处综合在一起，构成新的船型。
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1179年，马定远在江西造马船100只，暗装女墙、轮桨，可以拆卸，运军马则以济渡，遇战则以迎敌，实是一种新型的战渡两用船。平常作渡船使用，遇到战事猝起，可以立即改装为战船，体现出船舶设计思想的灵活性。
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1203年，池州秦世辅创造铁壁铧觜海鹘战船。它是一种新式大中型战舰，尺度较大，材料坚厚。计1000料，长10丈，宽1丈8尺，深8尺5寸，底板阔4尺，厚1尺；两边各有橹5支。这种新式十橹海鹘战船，能载战士108人，水手42人，共150人。既称铁壁铧觜，可知是一种具有冲角的新型战船，结构特别坚固，具有来往无阻，能冲击敌船的威力。
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此外，又有王彦恢于1132年造旁设4轮每轮8楫的“飞虎战舰”。这是一种小型车船，四车船。12世纪中，杨幺农民起义军中的木工高宣，在两个月之内，创造了大小车船十余种之多。当时车船的车数，一般有4车、6车、8车、20车、24车、32车等多种。大中型车船能载战士二三百人，最大的车船能载千余人，长36丈，宽4丈l尺。大型车船一般长二三十丈，吃水一丈左右。
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1272年的襄阳之战，张贵制无底船百余艘，中竖旗帜，军士立于两舷，引诱敌军跃入溺死。这是一种当中无底、两舷有站板的特殊形式的战船。
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宋代水军配备的战舰有：海鳅、双车、十棹、得胜、水哨马、水飞马、大飞旗捷、防沙平底等各种战船。官方船只有暖船、浅底屋子船、腾浅船、双桅多桨船、大小八橹、海鹘船，以及破冰船、浚河船等特种船只。民间船型更多，或以用途取名，或以形状取名，或以设备取名，船型有千百种，名称也有千百种。我国古代船型到宋代已经达到了发展的高潮。
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