中國古代計時器

中國古代計時器的創始時間不晚於戰國時代（公元前476～前222）。套用機械原理設計的計時器主要有兩大類，一類利用流體力學計時，有刻漏和後來出現的沙漏；一類採用機械傳動結構計時，有渾天儀、水運儀象台等。此外，還有套用天文原理（大都根據日影方向測定時間）計時的日晷，它也是中國最古老的計時器之一。

基本介紹

• 中文名：中國古代計時器
• 外文名：time measuring or indicating apparatus in ancient China
• 判斷時間：太陽的射影長短和方向
• 來源：《詩經·國風·定之方中》
• 創始時間：公元前476～前222

發展

人類最早使用的計時儀器是利用太陽的射影長短和方向來判斷時間的。前者稱為圭表，用來測量日中時間、定四季和辨方位；後者稱為日晷，用來測量時間。二者統稱為太陽鐘。

公元前1300～前1027年，中國殷商時期的甲骨文，已有使用圭表的記載。《詩經·國風·定之方中》篇有，“定之方中，作於楚宮。揆之以日，作於楚室……”。確切記載使用圭表的時間為公元前659年。

圭表等太陽鐘在陰天或夜間就失去效用。為此人們又發明了漏壺和沙漏、油燈鐘和蠟燭鐘等計時儀器。

圭表

圭表

又稱，日晷，日規。圭表中的“表”是一根垂直立在地面的標竿或石柱；“圭”是從表的跟腳上以水平位置伸向北方的一條石板。每當太陽轉到正南方向的時候，表影就落在圭面上。量出表影的長度，就可以推算出冬至、夏至等各節氣的時刻。表影最長的時候，冬至到了；表影最短的時候，夏至來臨了。它是我國創製最古老、使用最熟悉的一種天文儀器。

刻漏

又稱漏刻、漏壺。漏壺主要有泄水型和受水型兩類。早期的刻漏多為泄水型。水從漏壺底部側面流泄，格叉和關舌又上升，使浮在漏壺水面上的漏箭隨水面下降，由漏箭上的刻度指示時間。後來創造出受水型，水從漏壺以恆定的流量注入受水壺，浮在受水壺水面上的漏箭隨水面上升指示時間，提高了計時精度。

為了獲得恆定的流量，首先應使漏壺的水位保持恆定。其次，向受水壺注水的水管截面面積必須固定，水管採用“渴烏”（虹吸）原理，便於調整和修理。有兩種保持水位恆定或接近恆定的方法，均見於宋代楊甲著《六經圖》（刊於1153年）中的“齊國風挈壺氏圖”。圖中“唐制呂才（約公元600～650）定”刻漏是在漏壺上方加幾個補償壺，“今制燕肅(1030)定”刻漏採用溢流法，深四寸。多餘的水由平水壺（下匱）通過竹注筒流入減水盎。燕肅創製的漏壺叫蓮花漏，北宋時曾風行各地。

漏刻

《全上古三代秦漢三國六朝文·全後漢文》中在桓譚（卒於公元56年）的文章里說刻漏度數因乾、濕、冷、暖而異，在白天和夜間需要分別參照日晷和星宿核對。當時已認識到水溫和空氣濕度對刻漏計時精度的影響。

刻漏的最早記載見於《周禮》。已出土的文物中最古老的刻漏是西漢遺物，共3件，均為泄水型。其中以1976年內蒙古自治區伊克昭盟杭錦旗出土的青銅漏壺最為完整，並刻有明確紀年。比較完整的傳世刻漏有兩個，均為受水型：一個在北京中國歷史博物館，是元代延祐三年(1316)造；一個在北京故宮博物院，是清代製造。

沙漏

史料記載沙漏

因刻漏冬天水易結冰，故有改用流沙驅動的。《明史·天文志》載明初詹希元創造了“五輪沙漏”。後來周述學加大了流沙孔，以防堵塞，改用六個輪子。宋濂(1310～1381)著《宋學士文集》記載了沙漏結構，有零件尺寸和減速齒輪各輪齒數，並說第五輪的軸梢沒有齒，而裝有指示時間的測景盤。

水運渾天儀

古代文獻中有漢武帝時(公元前140～前87)洛下閎、鮮于妄人作渾天儀之說，但未提到它的結構。

渾天儀

《晉書·天文志》記載東漢張衡 (公元78～139)製造渾天儀，說在密室中用漏水驅動，儀器指示的星辰出沒時間與天文觀察的結果相符。

《新唐書·天文志》對唐開元十三年(725)僧一行和梁令瓚設計的渾天儀有較詳細的記述。儀器上分別裝有日、月兩個輪環，用水輪驅動渾象。渾象每天轉一周，日環轉1/365周，儀器還裝有兩個木偶，分別擊鼓報刻，是一座上狹下廣的木建築。

水運渾天儀是一具依靠水力而使其運轉，能模仿天體運行的儀器，並可以測定時間。這個渾天儀改進了漢代科學家張衡的設計，注水激輪，令其自轉，晝夜一周，除了表現星宿的運動以外，還能表現日升月落，當然比張衡的水運渾象儀更加精巧、複雜了。所以，當水運渾天儀造成之後，置於武成殿前，文武百僚觀看後，無不為其製作精妙，測定朔望、報告時辰準確而嘆服，共稱其妙。

特別需要提出的是在水運渾天儀上，還設有兩個木人，（相關文物遺蹟“商州銅佛龕”）用齒輪帶動，一個木人每刻（古代把一晝夜分為一百刻）自動擊鼓，一個木人每辰（合現在兩個小時）自動撞鐘。這兩個木人當然應該說是運用機械原理而製成的古代機器人。這是一個十分巧妙的計時機械，是世界上最早的機械時鐘裝置，是現代機械類鐘錶的祖先，比公元1370年西方才出現的威克鐘要早六個世紀，這充分顯示了中國古代勞動人民和科學家的聰明才智。

儘管這架水運渾天儀在使用了一段時間後，便因銅鐵漸澀，不能自轉而進入博物館了。但是，僧一行和梁令瓚卻以獲得天文鐘的發明權而永垂史冊。英國著名科技史家李約瑟博士在《中國科學技術史》第四卷中說：僧一行和梁令瓚所發明的平行聯動裝置，實質上就是最早的機械時鐘，是一切擒縱器的祖先，走在歐洲14世紀第一具機械時鐘的前面；西方關於鐘錶裝置是14世紀早期歐洲的發明這一說法，是完全錯誤的。

水運渾天儀上刻有二十八宿，注水激輪，每天一周，恰恰與天體周日視運動一致。水運渾天儀一半在水櫃裡，櫃的上框，有如地則自然撞鐘。整個水運渾天儀既能演示日、月、星辰的視運動，又能自動報時,有二木人，每刻(古代把一晝夜分做一百刻=0.24小時=14,4分鐘)擊鼓，每時辰（合現在兩小時）撞鐘。這是世界上最早將擒縱裝置套用於計時，比外國自鳴鐘的出現早了六百多年。一行等人的成就又超過了張衡。（也是最早的報時機器人）。

一行等以新制的黃道游儀觀測日月五星的運動，測量一些恆星的赤道坐標和對黃道的相對位置，發現這些恆星的位置同漢代所測結果有很大變動。

水運儀象台

為北宋元祐三年(1088)蘇頌、韓公廉等人所制。他們於紹聖(1094～1097)初年著《新儀象法要》，載有總圖和部件圖多幅。這台水運儀象台高三丈五尺余， 寬二丈一尺，是一座上狹下廣的木建築。台的下層有提水裝置，由人力推動河車，帶動升水上輪和下輪（筒車），將水提到天河（受水槽），注入天池（蓄水池）。台中平水壺保持水位恆定，並通過一定截面的水管向樞輪（水輪）上的受水壺流泄恆定流量的水，推動樞輪。樞輪通過傳動齒輪帶動晝夜機輪、渾象和渾儀。

水運儀象台有一套比較複雜的齒輪傳動系統。 在樞輪的上方和圓周旁有“天衡”裝置──擒縱機構，這是計時機械世界史上繼一行之後的重大創造的繼續，它把樞輪的連續旋轉運動變為間歇旋轉運動。

水運儀象台

在樞輪的上方和圓周旁有"天衡"裝置──擒縱機構。這是計時機械史上一項重大創造。它把樞輪的連續旋轉運動變為間歇旋轉運動。《新儀象法要》所載"天衡"圖未繪出樞輪和裝在樞輪上的受水壺,而書中的文字描述又僅寥寥數語:"樞輪直徑一丈一尺,以七十二輻雙植於一轂為三十六洪,束以三輞。每洪夾持受水壺一，總三十六壺，每壺長一尺，闊五寸，深四寸。於壺側置鐵撥牙以撥天衡關舌。"因此對受水壺的結構，特別是它的工作原理有不同的推測，其中有一種方案採用了可傾式受水壺。當樞輪圓周上接受注水的受水壺積水不到一定的重量時，左天鎖擋住樞輪的一個輪輻，使樞輪不能轉動。當積水到達一定的重量時，樞權（重錘）不足以平衡受水壺重力時，受水壺圍繞轉軸向下傾轉。裝在壺側的鐵撥牙壓迫格叉和關舌下降，關舌通過天條帶動槓桿,使天關和左天鎖上提,樞輪得以轉動。轉過一個受水壺後,格叉和關舌又上升,天關連同左天鎖下落，樞輪的下一對輪輻又被擋住。右天鎖的作用是防止樞輪轉動時回彈。天權和樞權是兩個平衡重錘。天權用於平衡左天鎖和天關的一部分重力，可調整天衡機構的工作靈敏度。樞權用於調整樞輪轉動一對輪輻時受水壺所需的受水量，即間歇運動的周期，從而校正計時的誤差。

大明燈漏

1276年，中國元代的郭守敬製成大明燈漏。它是利用水力驅動，通過齒輪系及相當複雜的凸輪機構，帶動木偶進行“一刻鳴鐘、二刻鼓、三鉦、四鐃”的自動報時。