计时器历史发展 中国古代计时器及近代机械计时器的早期发展

计时器历史发展中国古代计时器及近代机械计时器的早期发展【中国古代计时器】【综述】人类最早使用的计时仪器是利用太阳的射影长短和方向来判断时间的。

前者称为圭表，用来测量日中时间、定四季和辨方位；后者称为日晷，用来测量时间。

二者统称为太阳钟。

公元前1300～前1027年，中国殷商时期的甲骨文，已有使用圭表的记载。

《诗经·国风·定之方中》篇有，“定之方中，作于楚宫。

揆之以日，作于楚室……”。

确切记载使用圭表的时间为公元前659年。

圭表等太阳钟在阴天或夜间就失去效用。

为此人们又发明了漏壶和沙漏、油灯钟和蜡烛钟等计时仪器。

中国古代应用机械原理设计的计时器主要有两大类，一类利用流体力学计时，有刻漏和后来出现的沙漏；一类采用机械传动结构计时，有浑天仪、水运仪象台等。

此外，还有应用天文原理（大都根据日影方向测定时间）计时的日晷，它也是中国最古老的计时器之一。

相持既久，日晷渐移。

——明·马中锡《中山狼传》日晷，又称“日规”，是我国古代利用日影测得时刻的一种计时仪器。

其原理就是利用太阳投射的影子来测定并划分时刻。

日晷通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。

铜制的指针叫做“晷针”，垂直地穿过圆盘中心，起着圭表中立竿的作用，因此，晷针又叫“表”，石制的圆盘叫做“晷面”，安放在石台上，呈南高北低，使晷面平行于天赤道面，这样，晷针的上端正好指向北天极，下端正好指向南天极。

在晷面的正反两面刻划出12个大格，每个大格代表两个小时。

当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面，太阳由东向西移动，投向晷面的晷针影子也慢慢地由西向东移动。

晷面的刻度是不均匀的。

于是，移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面，以此来显示时刻。

早晨，影子投向盘面西端的卯时附近。

接着，日影在逐渐变短的同时，向北（下）方移动。

当太阳达正南最高位置（上中天）时，针影位于正北（下）方，指示着当地的午时正时刻。

午后，太阳西移，日影东斜，依次指向未、申、酉各个时辰。

由于从春分到秋分期间，太阳总是在天赤道的北侧运行，因此，晷针的影子投向晷面上方；从秋分到春分期间，太阳在天赤道的南侧运行，因此，晷针的影子投向晷面的下方。

世界上最早的日晷诞生于六千年前的巴比伦之大王国。

中国最早文献记载是《隋书·天文志》中提到的袁充于隋开皇十四年公元574年发明的短影平仪，即地平日晷。

赤道日晷的明确记载初见于南宋曾敏行的《独醒杂志》卷二中提到的晷影图。

这种利用太阳光的投影来计时的方法是人类在天文计时领域的重大发明，这项发明被人类所用达几千年之久，然日晷有一个致命弱点是阴雨天和夜里是没法使用的，直至1270年在意大利和德国才出现早期的机械钟，而中国则在1601年明代万历皇帝才得到二架外国的自鸣钟，清代时虽有很多进口和自制的钟表，但都为王宫贵府所用，一般平民百姓还是看天晓时。

所以彻底抛却日晷，看钟表知辰光还是近现代的事。

圭表和日晷一样，也是利用日影进行测量的古代天文仪器，早在公元前7世纪，我国就开始使用了。

据说，日晷还是在它的基础上发展起来的。

圭表是测定正午的日影长度以定节令，定回归年或阳历年。

在很长一段历史时期内，我国所测定的回归年数值的准确度斗居世界第一。

通过进一步研究计算，古代学者还掌握了二十四节气的圭表日影长度。

这样，圭表不仅可以用来制定节令，而且还可以用来在历书中排出未来的阳历年以及二十四个二节令的日期，作为指导农事活动的重要依据。

圭表是我国古代度量日影长度的一种天文仪器，由“圭”和“表”两个部件组成。

直立于平地上测日影的标杆和石柱，叫做表；正南正北方向平放的测定表影长度的刻板，叫做圭。

远古时的人们，日出而作，日没而息，从太阳每天有规律地东升西落，直观地感觉到了太阳与时间的关系，开始以太阳在天空中的位置来确定时间。

但这很难精确。

很早以前，人们发现房屋、树木等物在太阳光照射下会投出影子，这些影子的变化有一定的规律。

于是便在平地上直立一根竿子或石柱来观察影子的变化，这根立竿或立柱就叫做“表”；用一把尺子测量表影的长度和方向，则可知道时辰。

后来，发现正午时的表影总是投向正北方向，就把石板制成的尺子平铺在地面上，与立表垂直，尺子的一头连着表基，另一头则伸向正北方向，这把用石板制成的尺子叫“圭”。

正午时表影投在石板上，古人就能直接读出表影的长度值。

据记载，三千年前，西周丞相周公旦在河南登封县设置过一种以测定日影长度来确定时间的仪器，称为圭表。

这当为世界上最早的计时器。

经过长期观测，古人不仅了解到一天中表影在正午最短，而且得出一年内夏至日的正午，烈日高照，表影最短；冬至日的正午，煦阳斜射，表影则最长。

于是，古人就以正午时的表影长度来确定节气和一年的长度。

譬如，连续两次测得表影的最长值，这两次最长值相隔的天数，就是一年的时间长度，难怪我国古人早就知道一年等于365天多的数值。

在现存的河南登封观星台上，40尺的高台和128尺长的量天尺也是一个巨大的圭表。

圭表是中国古代观测天象的仪器。

在不同季节，太阳的出没方位和正午高度不同，并有周期变化的规律。

于露天将圭平置于表北面，根据圭上表影，测量、比较和标定日影的周日、周年变化，可以定方向、测时间、求出周年常数、划分季节和制定历法。

所以圭表测影是中国古代天文学的主要观测手段之一。

仪征铜圭表长34.5厘米，合汉制1.5尺，边缘上刻有尺寸单位；表高19.2厘米，合汉制8寸。

圭、表间用枢轴连接，使之合为一体。

使用时将表竖立与圭垂直；平时可将表折入圭体中留出的空档内，便于携带。

根据传统的说法，表高为8尺；这一数值曾被长期沿用。

该表的表高恰为8尺的1/10，说明它是一件便携式的测影仪器，可证明当时常设的天文台用8尺的表进行观测的说法是可信的。

圭表由圭和表两部份组成：圭是平放的有刻度的尺，表是直立的标竿，置于圭的两端且与圭垂直。

当太阳照着表的时候，圭上出现了表的影子，根据影子和方向和长度，就能读出时间。

春秋时代已经使用圭表测量连续两次日影最长和最短之间所经历的时间，并计算出回归年的长度。

中国现存最早的圭表是1965年在江苏仪征石碑村1号东汉墓出土。

圭表多以铜制。

一九六五年在江苏仪征的一座东汉中叶墓葬中出土了一件袖珍铜圭表，它由19.2厘米的表和34.39 厘米长的圭构成，圭表之间有枢轴相连，可将表平放于匣内，圭表合装一体，启合自如，携带方便，是设计家和铸造师密切配合的杰作。

圭表测时的精度是与表的长度成正比的。

元代杰出的天文学家郭守敬在周公测时的地方设计并建造了一座测景台。

它由一座9.46米高的高台和从台体北壁凹槽里向北平铺的长长的建筑组成，这个高台相当于坚固的表，平铺台北地面的是“量天尺”即石圭。

这个硕大的“圭表”使测量精度大大提高。

以圭表测时，一直延至明清，现在南京紫金山天文台的一具圭表，是明代正统年间（1437－1442年）所造的。

又称漏刻、漏壶。

漏壶主要有泄水型和受水型两类。

早期的刻漏多为泄水型。

水从漏壶底部侧面流泄，格叉和关舌又上升，使浮在漏壶水面上的漏箭随水面下降，由漏箭上的刻度指示时间。

后来创造出受水型，水从漏壶以恒定的流量注入受水壶，浮在受水壶水面上的漏箭随水面上升指示时间，提高了计时精度。

为了获得恒定的流量，首先应使漏壶的水位保持恒定。

其次，向受水壶注水的水管截面面积必须固定，水管采用“渴乌”（虹吸）原理，便于调整和修理。

有两种保持水位恒定或接近恒定的方法，均见于宋代杨甲著《六经图》（刊于1153年）中的“齐国风挈壶氏图”。

图中“唐制吕才（约公元600～650）定”刻漏是在漏壶上方加几个补偿壶，“今制燕肃(1030)定”刻漏采用溢流法，深四寸。

多余的水由平水壶（下匮）通过竹注筒流入减水盎。

燕肃创制的漏壶叫莲花漏，北宋时曾风行各地。

《全上古三代秦汉三国六朝文·全后汉文》中在桓谭（卒于公元56年）的文章里说刻漏度数因干、湿、冷、暖而异，在白天和夜间需要分别参照日晷和星宿核对。

当时已认识到水温和空气湿度对刻漏计时精度的影响。

刻漏的最早记载见于《周礼》。

已出土的文物中最古老的刻漏是西汉遗物，共3件，均为泄水型。

其中以1976年内蒙古自治区伊克昭盟杭锦旗出土的青铜漏壶最为完整，并刻有明确纪年。

比较完整的传世刻漏有两个，均为受水型：一个在北京中国历史博物馆，是元代延祐三年(1316)造；一个在北京故宫博物院，是清代制造。

西方发现最早的沙漏大约在公元1100年，比我国的沙漏出现要晚。

我国的沙漏也是古代一种计量时间的仪器。

沙漏的制造原理与漏刻大体相同,它是根据流沙从一个容器漏到另一个容器的数量来计量时间。

这种采用流沙代替水的方法，是因为我国北方冬天空气寒冷，水容易结冰的缘故。

最著名的沙漏是《明史·天文志》载，1360年詹希元创制的“五轮沙漏”。

流沙从漏斗形的沙池流到初轮边上的沙斗里，驱动初轮，从而带动各级机械齿轮旋转。

最后一级齿轮带动在水平面上旋转的中轮，中轮的轴心上有一根指针，指针则在一个有刻线的仪器圆盘上转动，以此显示时刻，这种显示方法几乎与现代时钟的表面结构完全相同。

此外，詹希元还巧妙地在中轮上添加了一个机械拨动装置，以提醒两个站在五轮沙漏上击鼓报时的木人。

每到整点或一刻，两个木人便会自行出来，击鼓报告时刻。

这种沙漏脱离了辅助的天文仪器，已经独立成为一种机械性的时钟结构。

后来周述学加大了流沙孔，以防堵塞，改用六个轮子。

由于无水压限制,沙漏比漏刻更精确。

宋濂(1310～1381)著《宋学士文集》记载了沙漏结构，有零件尺寸和减速齿轮各轮齿数，并说第五轮的轴梢没有齿，而装有指示时间的测景盘。

浑天仪是浑仪和浑象的总称。

浑天仪浑仪是测量天体球面坐标的一种仪器，而浑象是古代用来演示天象的仪表。

它们是我国东汉天文学家张衡所制的。

西方的浑天仪最早由埃拉托色尼于公元前255年发明。

葡萄牙国旗上画有浑仪。

自马努埃一世起浑天仪成为该国之象征。

浑仪模仿肉眼所见的天球形状，把仪器制成多个同心圆环，整体看犹如一个圆球，然后通过可绕中心旋转的窥管观测天体。

浑仪的历史悠久，有人认为西汉落下闳、鲜于妄人、耿寿昌都造过圆仪，东汉贾逵、傅安等在圆仪上加黄道环，改称“黄道铜仪”。

早期结构如何已没有记载。

而最早有详细结构记载的是东晋史官丞南阳孔挺在光初六年，即公元323年所造的两重环铜浑仪，这架仪器由六合仪和四游仪组成。

到了唐贞观七年，即公元633年，李淳风增加了三圾仪，把两重环改为三重仪，成为一架比较完备的浑仪，称为“浑天黄道仪”。

唐朝以后所造的浑仪，基本上与李淳风的浑仪相似，只是圆环或零部件有所增减而已。

随着浑仪环数的增加，观测时遮蔽的天区愈来愈多，因此，从北宋开始简化浑仪，到了元朝郭守敬则对浑仪进行彻底改革，创制出简仪。

浑象的构造是一个大圆球上刻画或镶嵌星宿、赤道、黄道、恒稳圈、恒显圈等，类似现今的天球仪。