漏刻计时法的发展过程是怎样的?
汉代改为120刻,南梁改为96刻和108刻。漏刻时机几经反复,直到明末欧洲天文知识的传入,才提出九六刻的改革,并在清初使之成为正式制度。
北宋科学家阎肃一生成就斐然。人们称他为“聪明的思想家”。他做的莲花漏当时很多州都在用。
阎肃精通天文历法。他深感当时计算时间的仪器不够精确,结构复杂,使用不便。当务之急是制作新的版画,所以他决定发明一个新的计时器。经过反复研究,他终于做出了新的计时工具——莲花刻字。
莲雕漏相比老款有了很大的改善。里面灌满上下两池的水,上池漏入下池,再将铜鸟均匀注入石锅。石锅上有荷叶盖,荷叶盖中央插着一枝刻有荷花的浮箭。
这支箭是木头做的。由于水的浮力,可以穿过莲子心,沿直径上升。箭头上有刻度,从中可以看出是什么时间和节气。
根据一年中每天昼夜长短的细微差别,把二十四节气做成48个不同刻度的浮箭,每个节气昼夜更换一个。这种槽口制作简单,定时准确,设计精巧,易于推广。
测试后,宋仁宗在1036号文件中公布供全国使用。
莲花发布后,受到各方好评。朝鲜官员夏松称之为“分秒不差”,全国各地“立石以体现其法”,著名大文豪苏轼也大加赞赏。
严肃所到之处,都以铭文的形式介绍和传播莲漏的制作方法,并制作样本加以推广。这种传播科学技术的热情精神值得钦佩。
其实在此之前,中国已经使用漏计时器很久了,可以说是源远流长。我们通常所说的“时刻”是用来表示时间的,涉及到中国古代滴水计时的文化史实。
在机械钟表传入中国之前,漏刻是中国最常用的计时器。简单来说,漏水计时的原理就是通过一个小孔慢慢漏水,利用容器内水位的升降来计算时间。
漏刻在中国是一种古老的计时器。“漏”是指用来计时的破釜酒,“刻”是指划分一天的时间计量单位。破釜酒吧日夜计时100刻字。正是在这种文化事实中,“版画”具有了表达时间的功能。
漏刻在中国起源很早。南北朝时期有一本书叫《漏刻经》,说漏刻起源于黄帝时代,在夏商时期有很大发展。《隋书田文志》也认为漏雕是黄帝观察到容器漏水并受其启发而发明的。
早在新石器时代,人们就已经能够制作陶器,陶器在使用过程中必然会出现残漏,导致水分流失。水分的流失是需要时间的,这是有启发的。用水量的变化表示时间的推移,逐渐导致漏刻的发生。
进入周代后,漏壶的地位进一步提高,朝廷中有了一个负责漏壶计时的官员,叫“绰户”。此后,出现了专门管理漏刻的机构和人员,制度也越来越完善。
据推测,历代漏刻计时所用的百刻制最早是由商代制定的,所以古人有时称“刻”为“商”,这是商代漏刻发展的有力证据。
原来的漏锅是单个的,锅底开一个小口,锅里放一根刻有刻度的木杆,水位退到哪个刻度,就能知道是什么时间了。由于早期使用漏壶多与军事有关,这种木杆被称为“箭杆”,这种方法被称为“潜箭法”。
另一种方法是将箭插入箭舟,箭杆上刻有时间线。当锅里装满水时,箭杆就靠木块的浮力升得很高。随着水的流失,箭舟下沉,箭杆掉落。通过观察刻度线,你可以读出现在是什么时间。这种方法也叫“沉箭”。
潜箭漏壶计时精度略高于潜箭漏壶,但不够准确。原因是水的流速与水壶中的水位有关。水位高了,水流速度就会快。随着水的流出,壶内的水位会逐渐降低,水流速度变慢,所以木箭的下落速度是不均匀的,也就是沉箭漏壶在使用过程中计时精度会越来越低。
为了提高漏壶的计时精度,聪明的古人发现了一种新的计时方法——浮箭法。
最早的浮箭破釜是单级的,由两个破釜组成,一个是供水水壶;另一种只是水壶,里面放一把箭尺,通常称为箭壶。
由于壶中的水不断注入箭壶,木箭上的时间标记不断从壶中露出,人们可以知道当时的时间。这就是单级浮箭壶。
单级浮箭只有一个漏水壶。由于人工给供水壶加水有一定的时间间隔,加水前后水位变化,导致流向箭壶的水流不稳定,所以计时误差比较大。
要解决这个问题,可以把木箭上的时标做得凹凸不平,但需要用其他高精度的计时仪器来校验,这在当时并不容易。
另一种方法是不断给排水壶加水,使其水位保持在一定高度,以减少其排水速度的变化。
经过多年的实践,人们在泄水壶和受水壶之间加了一个补偿壶,使补偿壶可以向受水壶供水,同时又可以不断地得到泄水壶流出的水的补充,从而使补偿壶的水位保持相对稳定。这是二次补偿浮箭漏壶。
东汉著名科学家张衡曾这样描述当时二级漏壶的用途:
漏壶材质为铜,有两个漏壶,分别开在底部。来自第一漏水壶的水流入第二漏水壶,然后被排放到接收水壶。
因为昼夜长短不同,所以也有两套接收水壶,白天和晚上分别使用。
所以,二级漏壶最迟是东汉发明的。
两级漏壶可以大大提高漏雕的计时精度,所以有三个漏壶一起使用。
晋代著名学者孙绰在一篇文章中,首次记载了三级漏壶的存在:“缸若三级,小水滴成海洋,满则满,空则空。”所谓“三段式”是指三个圆形泄水壶一起使用。
到了唐代,著名学者吕才将漏壶的数量增加到四个,由此诞生了四个漏壶。宋代学者杨嘉所著的《六经图》也记载了吕才的漏壶。
为了提高测量精度,古人不仅增加了漏壶的数量,还做了一项重要的改进,那就是水壶的发明。
第一个使用水壶的人是上面提到的宋代科学家严肃。这种水壶的出现从根本上解决了漏水水壶的水面稳定性问题。
中国古代有一些类似漏雕结构原理的计时工具,如水银、砂、半机械等。
元末明初的詹西元制作了一种五轮沙漏钟,又称“轮钟”。
虽然五轮沙漏钟的名字中有“沙漏”二字,但它并不是以流沙的多少来计量时间,而是以沙子为动力来驱动齿轮系统工作。这是一个真正的机械钟。
五轮沙漏钟的工作原理是流沙从漏斗形的沙池流到主轮旁边的沙桶中带动主轮,从而带动各级机械齿轮转动。最后一个齿轮驱动中间的轮子在水平面上旋转。中轮的轴上有一个指针,指针在刻有刻线的仪表盘上旋转,显示时间。
詹西元巧妙地在中轮上加了一套机械传动装置,使五轮沙漏上的两个小木人像每小时一次地转出来敲鼓报时。
五轮沙漏钟以沙代水,克服了冬天水容易结冰的缺点,可以不受地域限制。它的第一轮、第二轮、第三轮、第四轮和小齿轮轮系可以克服沙速过快的缺点。
可惜詹西元生不逢时,这样先进的计时器几年前才问世,却因元明之交的政治动荡而无法普及。
五轮沙漏钟是中国早期无天文仪器辅助的机械钟的代表。
无论是阎肃的莲花漏,还是詹西元的五轮沙漏钟,以及其他一些计时工具的发明,都是我国漏刻计时发展史上的重大创新。然而,我国历史上使用时间最长、应用范围最广的计时装置却依然不见踪影。
现陈列于北京故宫博物院交泰殿的铜壶滴水,制作于1745,至今仍是国内保存完好的漏壶。
铜锅漏水的漏锅都是精铜做的。每根漏水的小管都被雕刻成水龙头形状,水从龙口流出。顶部漏锅放在亭形建筑的上层,旁边有楼梯可以上下。这座亭子状的建筑与宫殿的结构相同。做工极其精细,扁壶表面刻有乾隆皇帝的御铭。
提示的出现使人们无需频繁观测天文就能随时知道时间。减少了中国古代计时对自然条件的依赖,是探索时间计量方式的一大进步。