天文鐘是一種特別設計的、能用多種形式來表達天體時空運行的儀器。它是把動力機械和許多傳動機械組合在一個整體裡，利用幾組齒輪系把機輪的運動變慢，使它經常保持一個恆定的速度，和天體運動一致。天文鐘既能表示天象，又能計時。後世的鐘表即由此演變而來。它可以顯示太陽、月亮、星座在該時刻的相對位置，有的更可顯示主要行星的位置。
基本介紹
- 中文名：天文學鐘
- 功能：既能表示天象，又能計時
- 演變：後世的鐘表
- 顯示內容：太陽月亮星座在該時刻的相對位置
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名詞概述
所有可以顯示時間和天文學信息的鐘都可以稱作天文學鐘。這些信息可以包括天空中太陽和月亮的位置，月亮的盈虧，日食，每晚某時的星空、恆星時，還有其它的天文信息等。
天文鐘以地心說模型表示。鐘面中心常為一個圓形或球形的標記表示位於太陽系的中心的地球。常以一個金色的球表示繞地轉動的太陽。這種設計的理念來源於周日運動對於觀測者而言最為直觀，也是生活經驗的關係，也是在尼古拉·哥白尼提出日心說之前歐洲普遍的宇宙觀。
相關歷史
中國的天文鐘
北宋時，刑部尚書蘇頌與韓公廉在元祐四年（1089年）初製成水運儀象台由穩定的水流提供在基座的樞輪最原始的動力，推動報時系統、渾象（用於演示夜空狀況）與渾儀（用於天體測量）的運轉，由於具完善的自動化動力與演示系統，並著有《新儀象法要》一書，較詳細講述製造過程，在1956年被英國科學史學者李約瑟稱此為“中國的天文鐘”。
歐洲的天文鐘
歐洲方面，以聖奧爾本修道院院長理察德·沃林福德（Richard of Wallingford）在14世紀早期建造的一座天文鐘，以不同的齒輪演示月相與月食，並留下技術說明；另外在帕多瓦的天文學教授東迪（De'Dondi）在1364年亦獨立建造了一座天文鐘，除顯示時間外亦演示托勒玫體系之下行星軌道的運行情況。這兩座也是歐洲最早出現的天文鐘。
製造天文鐘最大的困難在於，製作鐘的人必須不停的維護它，這不僅需要製造技巧，也需要很多金錢。因此，擁有一座天文鐘也是財富的象徵。
18世紀，隨著天文學的興起，越來越多的天文鐘在那個時期建造。這個時期的鐘的特點是表現更精確的天文學信息。
知名天文鐘
蘇頌的水運儀象台
中國歷史博物館和英國科技博物館等博物館收藏了等比例復原的蘇頌設計的水運儀象台。這座巨大的天文鐘高約10米，是利用水輪為原動力帶動儀器運轉的自動化天文鐘，設計十分精妙，是世界上最早的天文鐘。
蘇頌（公元1020-1101年），字於容，泉州南安（今福建泉州西北）人，歷任重要官職，又是傑出的科學家和科技工作的組織者。元祐三年（公元1088年），在他的倡議和領導下，創製了一座天文計時儀器——水運儀象台。水運儀象台是一座底部為正方形，下寬上窄的木結構建築，高36.65尺（約合12米），寬21尺（約合7米）。台分三層：上層放有觀測天體的渾儀；中層是演示天象的渾象；下層是使渾儀、渾象隨天體運轉而報時的計時儀器，它的機械裝置叫“晝夜機輪”。
水運儀象台有一組“銅壺滴漏”式的裝置：在一個木架上設兩個水槽，高的是天池，低的是平水壺。平水壺中的水流入全台機械結構的原動輪（樞輪）的水斗。樞輪是由36個水斗和鉤狀鐵撥子組成的由水力推動的機輪。樞輪運轉的速度由一組叫“天衡”系統的槓桿裝置控制。天衡系統對樞輪的這種擒縱控制，與現代鐘錶的關鍵部位——錨狀擒縱器（俗稱卡子）——的作用十分相似。可以毫不誇張地說，水運儀象台的“天衡”系統是現代鐘錶的先驅。英國著名的科技史專家李約瑟博士研究了蘇頌的水運儀象台後，在其所著的《中國科學技術史》中說：中國在14世紀歐洲發明鐘錶以前，“就已有了裝有另一種擒縱器的水力傳動機械時鐘。”
樞輪通過幾組齒輪使計時儀器和天文儀器分別按一定的速度轉動，蘇頌在《新儀象法要》中稱之為“以水激（樞）輪，輪轉而儀象皆動”。台上層的渾儀是觀測天體運行的儀器，它通過齒輪和樞輪軸相連而隨天體運轉，與現代望遠鏡有轉儀鐘控制而隨天體轉動一樣。台中層的渾象是一個球體，球面布列天體的星宿位置。渾象和台下層的晝夜機輪軸相接，隨機軸由東向西轉動，和天體視運動一致，使得球面星座位置和天象相合。而晝夜機輪則能夠隨天象推移使小木人出來敲鐘、擊鼓、示牌等，準確地報告時辰。
水運儀象台頂端還設有九塊活動的屋板，雨雪時閉合，防止對儀器的侵蝕，觀測時可以自由拆開。這種活動屋板是現代天文台可以開合的球形台頂的祖先。
蘇頌領導創製的水運儀象台，實際上是一座設計非常巧妙，利用水輪為原動力帶動儀器運轉的自動化天文鐘。在公元11世紀就能製造出如此複雜的天文鐘，這充分顯示了我國古代科學技術的先進水平。
斯特拉斯堡大教堂的天文鐘
斯特拉斯堡大教堂自14世紀以來，一共有三座的天文鐘。第一座建於1352年和1354年之間，16世紀初停止運行。第二座鐘由康拉德·達斯龐迪斯設計，建於1547年到1474年間，於1788年或1789年停止運行。大約50年後，簡·巴普蒂斯特·施維爾戈帶領30名工人建造了一座新的天文鐘。這座鐘增加了很多天文和日曆的功能，被認為是第一座完全用機械的方法計算日曆的鐘。
布拉格舊市政廳里的天文鐘
捷克布拉格的舊市政廳里天文鐘是最著名的天文鐘之一，它被稱為Prague Orloj。鐘的核心部分完成於1410年。鐘盤上畫著代表地球和天空的背景， 並且有四個主要的移動的圓盤，分別是黃道十二宮圓盤，老捷克時間表，太陽和月亮。1870年，一個日曆盤增加在鐘的下方。
第二次世界大戰期間，這座鐘幾乎被納粹主義的戰火燒毀。1948年鐘被修復，1979年再次修理。根據當地古老的傳說，如果鐘沒有妥善維護，這個城市就會面臨災難。
奧洛穆茨的天文鐘
捷克摩拉維亞省的省會城市奧洛穆茨的市中心廣場上也有一個設計精巧的天文鐘。
隆德大教堂的天文鐘
瑞典隆德大教堂的天文鐘建造於1424年左右。1837年這座鐘被收藏起來，1923年經過修理又放回遠處。當它運行的時候，你可以聽見曲子“In dulci jubilo”從教堂里最小的管風琴里傳出來。鐘平時每天演奏兩次，時間為中午12點和下午3點。周日第一次演奏在下午1點，而不至於打斷了周日的早禮拜。鐘上面部分是天文學鐘，它表示了不同階段的月亮和太陽落下的位置。鐘的下面部分是一個日曆板，目前的這塊日曆板顯示了從1923年到2123年的日曆。
哥本哈根市政廳的天文鐘
哥本哈根市政廳有一座完整的天文鐘，放置在一個玻璃小櫥內。這座鐘整整設計了50年，由業餘天文學家和職業制鐘匠簡斯·奧爾森設計。有一些部件的設計參考了斯特拉斯堡天文鐘。鐘在1948年到1955年間組裝成功，開始運行。1995年到1997年鐘被大規模重修。
拉斯馬斯·澤爾訥斯設計的天文鐘
挪威的拉斯馬斯·澤爾訥斯是最出色天文鐘設計者之一。他的設計複雜精確，在0.70 x 0.60 x 2.10 m的尺寸就可以製作出精密的天文鐘，包括了太陽和月亮的位置、儒略曆、格里曆、恆星時、格林尼治標準時間、當地時間，還包括閏年、日食、月食、當地日出日落的時間、潮汐、太陽黑子周期。它還顯示了一些其它的恆星，如周期為248年的冥王星運行軌道和周期為25 800 年的地球軸線歲差。所有的齒輪都是由黃銅製作，並鍍金，鐘盤鍍銀。
澤爾訥斯根據自己對星空的觀察，還製作了一些有用的工具。這個出色的天文鐘很可能是最後一座由一個真正的制鐘高手獨立手工完成的傑作。這件作品，是機械時代的一個象徵。這座鐘曾經在美國伊利諾州羅克福德時代博物館和芝加哥科學工業博物館。2002年，鐘被人收購，目前下落不明。
其它天文鐘
很多歐洲的城市都有天文鐘。你可以在各地看到他們，如威爾斯大教堂、艾希特、奧特里聖瑪麗、溫伯恩明斯特、漢普頓宮、溫特圖爾、克雷莫納、斯普利特、曼切華、布雷西亞、羅斯基勒、明斯特等等。
法國魯昂有一座14世紀的天文鐘，位於Gros Horloge 街上。法國里昂的聖瓊斯大教堂也有一座14世紀的天文鐘。
瑞士首都伯爾尼的Zytglogge鐘樓有一座16世紀的天文鐘。
座鐘，由於座鐘的廣泛套用，因此有很多天文座鐘。在17世紀，奧古斯堡的學徒想成為制鐘高手，必須設計和製作一個高手級的鐘，如天文座鐘。倫敦的大英博物館保存了一些天文座鐘。
巴黎郊外的凡爾賽宮有一個華麗的洛可可風格的天文座鐘，它由一個制鐘師和一個學徒花費了整整12年製作而成，於1754年獻給路易十五。
表， 近代，獨立制鐘師克里斯汀·范德克勞製作了一個天文腕錶，命名為“Astrolabium”，之後又設計了“Planetarium 2000”，“Eclipse 2001”和“Real Moon”系列。瑞士的鐘表公司Ulysse Nardin也推出了數款天文腕錶“Astrolabium”、“Planetarium”和“Tellurium J. Kepler”。
設計描述
儘管每一座天文鐘各有不同，但是它們有一些共同的特點。
時間顯示
大部分天文鐘錶盤外圈是一個24小時指針式錶盤，從羅馬數字I（1）到XII（12），然後再從I（1）到XII（12）重複一遍。當前的時間由一個指針指示，通常在指針的尾部有一個金色的球或者太陽的圖片。本地的中午通常在錶盤的正上方，子夜在錶盤的正下方。分針基本不使用。
指針指示了太陽的方位角和地平緯度。從方位角來看，錶盤的上方表示南方，兩個VI（6）表示了東方和西方。從地平緯度來看，錶盤上方是天頂，兩個VI（6）決定了水平線。（這是從地球的北半球來設計的。）當然，這種設計在春分秋分，即晝夜平分之際是最準確的。
如果XII（12）不在錶盤的上方，或者數字是阿拉伯文而不是羅馬文，那么時間顯示是義大利時間。在這種系統裡面，0點是太陽落下的時候。
日曆和星座：年通常用12個星座來表示，一般在24小時錶盤的裡面排成一圈，顯示了黃道、太陽和星球在星空運動的軌跡。
由於地球的地轉有傾斜角，黃道星球投影在鐘的表面上有點偏離中心，並有一些細微變形。立體投影的角度是從北極為基點的。而通常星盤的設計是以南極為基點的。
確定日期的方法就是通過時針在星座盤的交叉點確定了當前的星座。這個指示點一年內繞星座盤轉動，太陽也就從一個星座移到另一個星座。以上圖的布拉格的錶盤為例，太陽盤現在移到了牡羊座，左邊是雙魚座。因此時間是3月底或四月初。
月亮：鐘盤上有一圈數字從1到29或30表示月亮的周期：新月是0，滿月是15。通常用一個黑色的半球來指示月亮的位置。
小時線：不等長計時法通常把白天分成12個等長的小時和黑夜分成另外12個小時。在歐洲，夏天白天的時間要比晚上長很多，所以白天的小時要比夜晚的小時長一些。同樣的情況在冬天，白天的小時比夜晚的小時短。這些不等長的小時用鐘盤中間的曲線表示，夏天長的小時在圓盤的外周。
現在工業用天文鐘
天文鐘，別名經緯時控器。用於路燈照明、廣告燈、樓宇照明等等有需要在設定的經緯度下而跟隨日出日落變化而有規律改變開關燈時間的場合。
