中国最早的水运天文仪器-中国之最

中国之最
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  水钟在中国又叫做“刻漏”,“漏壶”。根据等时性原理滴水记时有两种方法,一种是利用特殊容器记录把水漏完的时间(泄水型),另一种是底部不开口的容器,记录它用多少时间把水装满(受水型)。中国的水钟,最先是泄水型,后来泄水型与受水型同时并用或两者合一。自公元85年左右,浮子上装有漏箭的受水型漏壶逐渐流行,甚至到处使用。
 
  时间度量
 
  精度不一的各类钟表至少已在人世间存在了4000年。埃及人是最早进行此类尝试的民族,他们制作过星钟图,用它来查看哪颗星星已经升起,然后计算夜间的时刻。后来,他们造出了为白天计时的影钟,随着日出合日落,一条横杆的影子逐渐越过一串记号。法老塞提一世于公元前1300年前后统治埃及,在他的陵墓中就曾发现一套制造影钟的器械。日晷就是以这种简单的影钟为原形制作的。罗马人对今天我们所熟知的那种日晷加以改进,甚至制造过便携式旅行用钟。
 
  水钟历史
 
  最早出现
 
  据埃及朝官阿门内姆哈特的墓志铭记载,此人曾于公元前1500年前后发明了水钟,一种“漏壶”。容器内的水面随着水的流出而下降,据此测出过去了多少时间。这类时钟对祭司特别有用,因为夜里他们需要了解时间,不致错过在神庙内举行宗教仪式和献技活动的既定时刻。
 
  历史文化
 
  古代作者对这些水钟的影响作过充分的论证,讲述了它们在不同背景下使用的情况。柏拉图曾在公元前约330年撰文,把律师们说成是“受漏壶驱动……从无闲暇”的人。水钟甚至开始影响到文学。“悲剧的长度,”亚里士多德抱怨说,“不该由漏壶……而应由与情节相适宜的东西来决定。”查看时钟显然已经受到严格的控制。
 
  水钟在希腊和罗马宫廷发挥了更为宝贵的作用,在那里,水钟被用来确保发言者讲话不超时;如果议程临时中断,譬如中途研究一下文件,等等,就要用蜡将出水管堵住,直到发言重新开始。在罗马举行运动会时,水钟被用来为赛跑计时。
 
  后来,伊斯兰世界制造了华丽的水钟。哈里发哈伦·赖世德曾派使臣由巴格达启程,将一台特别精致的水钟送往神圣罗马帝国开国皇帝查理大帝(公元742-814年)的宫廷。11世纪,阿拉伯的工程师在西班牙的托莱多建造了一对大水钟,钟上有两个容器,月满时,水慢慢注满,月缺时,水慢慢排干。这些水钟结构精巧,历时百年而无须校正。
 
  历史
 
  大约在1000多年以前,希腊人制造了较为精巧的水钟。它的结构是这样的:贮水壶上部一侧有个小孔,多余的水可以从这个小孔溢出,这样就能保持固定的水平面,保持恒定的压力。水从贮水壶下部的小孔流出,注入受水壶。受水壶内有一浮舟。浮舟上装有“护钟神”——箭竿。受水壶中的水达到某一高度时,通过虹吸管使水注入旋转的平衡轮(它由于自身的重量而转动),驱使一列齿轮转动,从而按照昼夜的长短把计时用的鼓状圆筒带到新位置。随受水壶水面高度的变化,“护钟神”就在圆筒刻线上指出时辰。这些刻线是不等长的,有些还是斜的,以便指示出冬季里一天的时辰。
 
  传入中国
 
  水钟是整个古代世界报时的标准方式,它于公元前6世纪传入中国。水钟曾在雅典等城市成为一道常见的景观,如今在这些城市中已发现公元前35年左右建造的“城钟”的遗迹。这种钟的运行由一块浮标控制,当水从底部的一个小出口慢慢流出时,浮标也一点点地下沉。浮标大概与一根圆杆相连接。圆杆在下沉时使指示柄随之移动。通向水井的台阶的磨损程度表明,每天都要给蓄水池倒满水。
 
  机械钟出现
 
  西欧人一直宣称,时钟制造业的第二次飞跃——机械钟的发明是由他们完成的。有一资料提到,1321年,在法兰西鲁昂附近的一座修道院内,大钟上的一台机械曾奏出圣诗的曲调,而这台机械很可能是一只时钟。大约在同一时期,伟大的意大利诗人但丁在他的长诗《神曲》中明白无误地描述过一只引人注目的时钟,而在1335年的大事年表中,也有一段文字首次提到米兰圣戈特哈德教堂的一只时钟。
 
  然而,在这些早期欧洲时钟问世数百年之前,聪明绝顶的中国古人就已经发明了机械钟。发明机械钟是为了满足精确记录诸多皇位继承人出生时刻的需要,这样,御用占星家们就能够确定天象对他们的影响,从中挑选最佳者继承皇位。中国人在几个世纪内开发了更为精确的水钟,其中包括一种不用水而使用水银的停表,但这些水钟仍然不能满足占星家们的特殊需要。
 
  历史遗留
 
  现存最古老的水钟是阿孟霍特普三世(公元前14世纪)统治时期的产物——1905年在凯尔奈克的阿蒙神庙发现了它的残片。
 
  风之塔
 
  希腊世界也拥有较为精致的水钟,雅典的“风之塔”是天文学家安德罗尼卡于公元前1世纪初所建,顶部有多座日身,内部有一只复杂的水钟,时间在刻度盘上显示,围绕刻度盘转动的圆盘可显示恒星运行和一年中太阳在各星座中间运行的轨迹。
 
  俯视图
 
  在公元72年,佛教僧侣和数学家一行制作了一个有发条装置、称作“水运浑天俯视图”的天文仪器。从这个名称可以想见,水为之提供了动力——但机械原理对其运行起着调整的作用。遗憾的是,没过几年,这台用钢铁制造的机械便开始锈蚀;另外,那台时钟也由于天气寒冷引起内部结冰而出现种种问题。976年,张思训用水银替代水,建造了一台时钟,但有关的详细资料却绝少传世。
 
  仪象台
 
  我国古代对水钟的发展做出了突出贡献。最著名的例子是北宋初年(大约公元1086年)苏颂设计制造的“水运仪象台”。天文学家苏颂按照宋朝英宗皇帝的诏令进行设计并于公元1090年建成的“水运仪象台”堪称中古时代中国时钟的登峰造极之作。
 
  他的装置是一座天文钟楼,高逾30英尺。顶部有一架体积庞大的球形天文仪器,即浑仪。浑仪为铜制,靠水力驱动,用于观测星相。钟楼内放置天球仪,即浑象,其运转与上面的浑仪同步,故可随时对两者进行比较。钟楼前面是一座木阁,分5层各开一门,无论白天黑夜,每隔一段时间,便有木人出现。木人击鼓、摇铃、打钟、敲打乐器、出示时辰牌。所有木人都由巨大的报时装置操纵。这架装置则由巨大的枢轮提供动力,枢轮上有木辐挟持水斗,水从漏壶中滴入水斗,使整个仪器每个时辰前进一个水斗。
 
  苏颂的大时钟从1090年起一直运转到1126年;随后被金朝拆开,运至北京,在那里又运转了几年。苏颂的“水运仪象台”是中古时代中国时钟制造的登峰造极之作;遗憾的是,在后来的100年里,由于战争的原因,这些技术没有能够最终保留下来。
 
  水运仪象台高三丈五尺六寸五分(约12米),宽二丈一尺,是一座上狭下广的三层木结构建筑。全台由水斗、木轮、钩状铁拨等组成传动系统。它的计时部分原名“昼夜机轮”,是一具精巧的水钟。在这里,苏颂使用了相当于现代钟表中的擒纵器的一系卡子和枢轮杠杆装置,通过大小齿轮的啮合控制水斗转动和枢轮运轮运转速度。整个计时部分共有五层木阁:第一层是昼夜钟鼓轮。轮上有三个不等高的小木柱(起凸轮作用),可按时拨动三个木人的拨子,拉动木人手臂,一刻打鼓,时初摇铃,时正敲钟。第二层是昼夜时初正轮,轮边有24个司辰木人,表示12个时辰的时初、时正,相当于24小时。该轮上的24个木人随着轮子转动按时在木阁门前出现。第三层是报刻司辰轮,轮边有96个司辰本人,每刻出现一人。第四层是夜漏金钲轮,可以拉动木人按更序法钲,报告更数,并且可以按季节调整,以适应昼长夜短的变化。第五层是夜漏司辰轮,轮边设38个司辰本人,木人位置可按季节变动,从日落到日出按更序排列。
 
  苏颂主持制造的这架水运仪象台,不仅继承了我国汉、唐以来的天文学和机械学上的成就,同时还有创新。昼夜机轮就是世界上最早的天文钟,它所用的擒纵装置也被公认为世界上机械钟的祖先。
 
  制造做法
 
  找一支香,先用尺子量出它的长度。点燃五分钟以后,再量一下它的长度;过五分钟以后,又量一次。量了几次以后,你会发现:在没有风的情况下,香的燃烧速度基本上没有什么变化。根据实验所得到的燃烧速度,比如,每五分钟燃烧掉1厘米,就可以在同样的香上每隔1厘米刻上一个刻度。这样,就成了一把测量时间的“尺子”了。只要看看香烧掉的长度,就可以知道已经过去了多少时间。
 
  利用水流,也可以计算时间。
 
  找一个空酒瓶子,灌满水以后,倒立过来,让水流出去。反复做几次,水流完的时间总是一定的;第一次用几秒钟,第二次还是几秒钟。
 
  流动的水和燃烧的香为什么可以作为测量时间的“尺子”呢?因为水的流动和香的燃烧都是一种运动,时间和运动有密切的关系,只有通过运动才能表现出流逝的时间。因此,量度时间离不开运动。
 
  在没有钟表以前,古人就是用水和火来计时的,根据古书记载,我国在两千多年前,就有了一种滴水计时的“刻漏”,又叫水钟。
 
  古代有一种刻漏,主要由几个铜水壶组成,又叫“漏壶”。除了最底下的那个,每个壶的底部都有一个小眼。水从最高的壶里,经过下面的各个壶滴到最低的壶里,滴得又细又均匀。最低的壶里有一个铜人,手里捧着一支能够浮动的木箭,壶里水多了,木箭浮起来,根据它上面的刻度,就可以知道时间。
 
  燃烧计时也有悠久的历史。我国古代有一种“火闹钟”:把香放在一个船形的槽里,在香的某一点,用细线系上两个铜铃,横挂在放香的小“龙船”上。香从一头点起,烧到拴细线的地方把线烧断,两个铜铃就落在下面的金属盘里,人们听到响声,就知道预定的时刻到了。
 
  太阳的东升西落告诉我们地球在不停地转动。这也是一种比较稳定的运动。自古以来人们还利用这种运动来计量时间。人们制成了日晷〔guǐ〕,这是一种“太阳钟”,它是利用日影的运动来指示时间的。不过,在阴天和夜晚,"太阳钟"就不起作用了。