科技世界之最:最早的天文钟

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科技世界之最:最早的天文钟

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适合年龄:3~5岁 。难易程度:中级 。天文钟是一种能用多种形式来表达天体时空运行的仪器,它把动力机械和许多传动机械组合在一个整体里,利用几组齿轮系把机轮的运动变慢,使它经常保持一个恒定的速度,和天体运动一致 。世界上最早的天文钟是我国北宋时期,在苏颂的领导下创制的水运仪象台 。
苏颂(公元1020~1101年),字于容,泉州南安(今福建泉州西北)人,历任重要官职,是杰出的科学家和科技工作的组织者 。元祐三年(公元1088年),在他的倡议和领导下,创制了一座天文计时仪器-水运仪象台 。
【科技世界之最:最早的天文钟】根据苏颂为水运仪象台所作的设计说明书《新仪象法要》的记载,水运仪象台是一座底为正方形、下宽上窄略有收分的木结构建筑,高大约有12米,底宽大约有7米,共分为三大层 。
科技世界之最:最早的天文钟

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上层是一个露天的平台,设有浑仪一座,用龙柱支持,下面有水槽以定水平 。浑仪上面覆盖有遮蔽日晒雨淋的木板屋顶,为了便于观测,屋顶可以随意开闭,构思比较巧妙 。露台到仪象台的台基有7米多高 。中层是一间没有窗户的“密室”,里面放置浑象 。天球的一半隐没在“地平”之下,另一半露在“地平”的上面;靠机轮带动旋转,一昼夜转动一圈,真实地再现了星辰的起落等天象的变化 。下层包括报时装置和全台的动力机构等 。设有向南打开的大门,门里装置有五层木阁,木阁后面是机械传动系统 。
水运仪象台有一组“铜壶滴漏”式的动力装置:在一个木架上设两个水槽,高的是天池,低的是平水壶 。平水壶中的水流入全台机械结构的原动轮-枢轮的水斗,枢轮是由36个水斗和钩状铁拨子组成的由水力推动的机轮 。枢轮运转的速度由一组叫“天衡”系统的杠杆装置控制 。天衡系统对枢轮的这种擒纵控制,与现代钟表的关键部位–锚状擒纵器(俗称卡子)作用十分相似 。可以毫不夸张地说,水运仪象台的“天衡”系统是现代钟表的先驱 。英国著名的科技史专家李约瑟博士研究了苏颂的水运仪象台后,在其所著的《中国科学技术史》中说,中国在14世纪欧洲发明钟表以前,“就已有了装有另一种擒纵器的水力传动机械时钟” 。
枢轮通过几组齿轮使计时仪器和天文仪器分别按一定的速度转动,苏颂在《新仪象法要》中称之为“以水激(枢)轮,轮,转而仪象皆动” 。台上层的浑仪是观测天体运行的仪器,它通过齿轮和枢轮轴相连而随天体运转,与现代望远镜有转仪钟控制而随天体转动一样 。台中层的浑象是一个球体,球面布列天体的星宿位置 。浑象和台下层的昼夜机轮轴相接,随机轴由东向西转动,和天体运动一致,使得球面星座位置和天象相合 。而昼夜机轮则能够随天象推移使小木人出来敲钟、击鼓、示牌等,准确地报告时辰 。
水运仪象台顶端设有九块活动的屋板,雨雪时闭合,防止雨雪对仪器的侵蚀,观测时可以自由拆开 。这种活动屋板是现代天文台可以开合的球形台顶的祖先 。
苏颂领导创制的水运仪象台,实际上是一座设计非常巧妙,利用水轮为原动力带动仪器运转的自动化天文钟 。在公元11世纪就能制造出如此复杂的天文钟,充分显示了我国古代科学技术的先进水平 。