古代计时工具

古代计时工具

古代计时工具1

  中国是世界上最先懂得计时的国家。大约商朝后期,中国就出现了把一昼夜分为100等分的百刻计时制,而且历朝历代沿用不衰,一直到清末才废止。因为出现了百刻计时制,因此中国古代便拥有了统一的计时标准。这可以说是中国古代先人的一个伟大创举。有了计时标准,古人都发明了哪些计时器呢?

  古代计时工具-苏明号古代计时工具-苏明号  日晷

  日晷

  本义是指太阳的影子,后来则指古代利用日影测得时刻的一种计时仪器,又称“日规”。其原理就是利用太阳的投影方向来测定并划分时刻,通常由晷针和晷面组成。利用日晷计时的方法是人类在天文计时领域的重大发明,这项发明被人类沿用达几千年之久。现在,我们到北京故宫、沈阳故宫、承德避暑山庄等地旅游参观时,还可以看到日晷的身影。

  古代计时工具-苏明号  圭表

  圭表

  是我国最古老的一种计时器,古代典籍《周礼》中就有关于使用土圭的记载,可见圭表的历史相当久远。作为度量日影长度的一种天文仪器,圭表由“圭”和“表”两个部件组成。直立于平地上测日影的标杆和石柱,叫作表;正南正北方向平放的测定表影长度的刻板,叫作圭。圭表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,中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,古代汉族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节令的日期,作为指导汉族劳动人民农事活动的重要依据。《汉书》《元史》中都对圭表的形制、构造、材质做了详尽的记述。

  古代计时工具-苏明号  漏刻

  漏刻

  日晷和圭表都是用太阳的影子计算时间的,一旦遇到阴雨天或黑夜便失去作用了,于是一种白天黑夜都能计时的水钟便应运而生,这就是漏刻。漏,是指漏壶;刻,是指刻箭。箭,则是标有时间刻度的标尺。漏刻是以壶盛水,利用水均衡滴漏原理,观测壶中刻箭上显示的数据来计算时间。作为计时器,漏刻的使用比日晷更为普遍。

  我国古代诸多文人骚客留下了许多有关漏刻的富有诗情画意的章句。如唐代诗人李贺诗曰:“似将海水添宫漏,共滴长门一夜长。”宋代苏轼也写有“缺月挂疏桐,漏断人初静”的佳句。在机械钟表传入中国之前,漏刻是我国使用最普遍的一种计时器。中国古代从周代起,官方就已经开始懂得用漏刻来计时了,为此朝廷还专门设有计时的专职机构。秦朝时就设有“太子率更令”,专门负责管理漏刻,然后为皇家报时服务。西汉时,漏刻甚至上升为一种天文计时仪器,由太史待诏掌管。东汉时,朝廷设有“郎官”一职,也是负责管理漏刻的。

  古代计时工具-苏明号  香篆钟

  香篆钟

  这种古代计时器鲜为人知。据宋代学者薛季宣著书记载,香篆钟是一种于12世纪中叶在中国流行的古代计时器。《狄仁杰断案传奇》中,也记述了唐代宫廷内用香篆钟计时的情形:香篆钟为梅花形黄铜盘子,盘内有梅花五瓣,每瓣梅花各缭绕一圈盘香,焚熏后,根据盘香的烧没程度来计时,时人谓之“五孕祥云”。

  古代计时工具-苏明号  大明灯漏

  大明殿灯漏

  1276年,元代著名科学家郭守敬创制了大明灯漏。它是利用水力驱动,通过齿轮系及相当复杂的凸轮机构,带动木偶进行“一刻鸣钟、二刻鼓、三钲、四铙”的自动报时器。因其造型似宫灯,又放置于皇宫的大明殿,所以称为大明殿灯漏。

  古代计时工具-苏明号  五轮沙漏

  五轮沙漏

  沙漏因漏刻冬天水易结冰,所以明代时发明了“五轮沙漏”,用流沙驱动漏刻。同时加大了流沙孔,以防堵塞,改用六个轮子。宋濂所著《宋学士文集》中记载了沙漏结构,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。

  古代计时工具-苏明号  水运仪象台

  此外,中国古代还制造出了较大的计时仪器,如东汉张衡发明的浑天仪,北宋苏颂、韩公廉等人发明的水运仪象台等。

古代计时工具2

  古人在没有钟表的情况下是如何计时的呢?接下来我将为您介绍古人计时的工具。

  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。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。

  一、圭表

  是我国最古老的一种计时器,在《周礼》中就有关于使用土圭的记载,因此可见圭表有着悠久的历史。

  圭表是利用太阳射影的长短来判断时间。圭有两部分组成,一是直立在平地上的测日影的标杆或石柱,叫做表;另一部分为正南正北方向平放测定表长度的刻板,叫做圭。

  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节令的日期,作为指导汉族劳动人民农事活动的重要依据。

  二、日晷

  古代计时工具-苏明号

  日晷,本义是指太阳的影子。现代的“日晷”指的是人类古代利用日影测得时刻的一种计时仪器,又称“日规”。

  其原理就是利用太阳的投影方向来测定并划分时刻,通常由晷针和晷面组成。利用日晷计时的方法是人类在天文计时领域的重大发明,这项发明被人类沿用达几千年之久。

  以太阳的移动投射在晷上的阴影,对应晷面上的刻度,根据投射到的相应位置来确定当时的时辰。然而日晷的局限性相当大。遇到阴雨天及没有太阳的时候,就没有作用了。

  三、刻漏

  漏刻是古代的一种计时工具,不仅古代中国用,而且古埃及、古巴比伦等文明古国都使用过。

  漏刻的发明年代已不可考,据史书记载,西周时就已经出现了漏刻。漏刻由漏壶和标尺两部分构成。

  漏壶用于泄水或盛水,前者称泄水型漏壶,后者称受水型漏壶。标尺用于标记时刻,使用时置于壶中,随壶内水位变化而上下运动。

  古代计时工具-苏明号

  最早的漏刻也称箭漏。使用时,首先在漏壶中插入一根刻有时刻的标竿,称为箭。箭下以一只箭舟相托,浮于水面。当水流出或流入壶中时,箭杆相应下沉或上升,以壶口处箭上的刻度指示时刻。

  四、沙漏

  因刻漏冬天水易结冰,故有改用流沙驱动的。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。由于无水压限制,沙漏比漏刻更精确。

  古代计时工具-苏明号

  五、焚香计时

  这种方式最早是由寺庙里的僧人使用,当时的香规格大小都差不多,一炷香的时间大约是半个时辰,也就是现在的一个小时。

  古时,僧人以一炷檀香的燃烧为计时方法,那时标准的一柱檀香燃尽需要半个时辰,即一个小时。

  以檀香计时,不受白天黑夜影响,携带方便,制作简单,且能营造气氛。久而久之,以一炷香香计时的方法就流传到了了民间,就连晚间打更的更夫也用香来确定时间,并称此为“更香”。

  六、水运浑天仪

  水运浑天仪是一具依靠水力而使其运转,能模仿天体运行的仪器,并可以测定时间。

  这个浑天仪改进了汉代科学家张衡的设计,注水激轮,令其自转,昼夜一周,除了表现星宿的运动以外,还能表现日升月落,当然比张衡的水运浑象仪更加精巧、复杂了。

  七、大明灯漏

  1276年,中国元代的郭守敬制成大明灯漏。灯漏的主体是用金子和珠宝制作的,内部分为四层,上层按圆环状分布着日,月和参、商二宿的图形,每日自右向左回转一周。

  古代计时工具-苏明号

  下面一层陈列着龙、虎、鸟、龟,象征着四个方位,每到一刻,它们都有跳跃的动作,内部并有击铙的响声。再下层又是圆环状的分划为一百等分,每等分就是古时的一刻钟。

  它的上部有十二个木人,手执时辰木牌,当某个时辰来到,它们在四个方向的门内执牌报时。门内另有木人用指着刻数。

  在灯漏的下部四个角的位置,各有一个木人手执钟、鼓、钲、铙响器,一刻鸣钟,二刻击鼓,三刻击钲,四刻击铙,还有在时初、时正到来时这些响器也要鸣响。产生这些动作的机构都隐藏在柜子里,用水来驱动它们。

古代计时工具3

  本文载于《科技日报》2019年9月27日第8版,有修改

  时间是人类生活的重要参考依据。现代人往往通过钟表来计时并安排工作和生活,但我国在清代以前是没有钟表的,要想计时的话很不容易。当然,这并不代表古代没有计时工具。古代人们在长期的生活和生产实践中,通过对一些自然现象的不断观察,逐渐掌握了日升日落、星辰出没、月亮圆缺等周期性的变化规律,并以此为契机便发明了各式各样的计时工具。“日晷”就是其中之一。所谓日晷,就是人类根据日影位置的变化来测量时间的一种工具。作为明清皇宫的紫禁城,太和殿、乾清宫、坤宁宫、养心殿、慈宁宫等建筑前都有日晷。如图1所示为太和殿前日晷,其采用汉白玉制,造型雄伟,气魄宏大,为我国典型的赤道式日晷。这种日晷的主要特点为:日晷的晷面(即图1所示的圆盘面)与赤道面平行,晷面的上下两面均刻有子、丑、寅、卯、辰、巳、午、未、申、酉、戌、亥12个刻度均匀的时辰,在晷面中心有一根垂直于晷面的指针。太阳照射指针后,指针的影子落在哪个时辰的刻度上,即说明此时是什么时辰。

  图1  太和殿前日晷

  图2所示为太和殿日晷放置示意图。该日晷由底座、晷面、指针组成。底座与地面平行,晷面与赤道平行,指针与地轴(指向南北极)平行。指针与地平面的夹角必需与当地的地理纬度相同。北京的纬度为北纬39.9度,所以太和殿日晷的指针与地面的夹角也为39.9度。指针一般为铜质,垂直穿过晷面,其最重要的作用是确定南北方向。由于晷面平行于赤道面,这样,指针的上端正好指向北天极,下端正好指向南天极。所以,太和殿日晷的指针是南北向设置,指针朝向北极固定。指针的第二个作用才是用来确定时间。其时间的确定,主要通过太阳照射指针在晷面的投影来实现。晷面呈圆盘形,石质,正反两面都刻有12个时辰。当太阳光照在日晷上时,指针的影子投向晷面。太阳由东向西移动,指针影子也慢慢地由西向东移动。晷面的刻度是均匀的,移动着的指针影子犹如是现代钟表的指针。随着太阳位置的变化,晷针影子在盘上移动一寸所花的时间称为“一寸光阴”,而“一寸光阴一寸金”的成语就是由此而来。春分(每年公历大约为3月20日左右)到秋分时间(每年公历9月23日-24日之间),太阳在赤道北侧运行,指针的影子投在盘面的上方(北方),此时的时刻看盘面上方的读数。秋分到春分期间,太阳在赤道南侧运行,指针的影子投在盘面的下方(南方),此时的时刻看盘面下方的读数。日晷读数和日期无关,因为读取的是影子的方向,不是影子的长度。可以说,整个日晷就是一个缩小版的地球,不管太阳高度如何变化,晷针在晷面上的影子变化都是均匀的。而春分和秋分日前后几天,太阳光与晷面平行,难以从晷面上读数,这几天赤道式日晷是没法用的。

  图2  太和殿日晷放置示意图

  日晷利用太阳射影的方向来测量时间,但是,在阴雨天和夜间就会失去效用,且在春分、秋分时期无法使用。所以,我国古代工匠又发明了漏刻。作为计时器,漏刻的使用比日晷更为普遍,时间也更为久远。紫禁城交泰殿内,就有一座铜壶漏刻。漏,是指盛水漏壶,用于泄水或盛水;刻,是指划分一天的时间单位,它通过漏壶的浮箭来计量一昼夜的时刻。交泰殿内铜壶漏刻初造于清乾隆十年(1745),由清宫造办处制作。乾隆六十二年(1797)十月二十一日,乾清宫大火,不仅乾清宫被毁,还殃及交泰殿及其中的铜壶漏刻。现存于交泰殿内这座高5. 76米的红漆画彩漆亭的铜壶漏刻,为清嘉庆三年(1798)仿原件制成并安装于此的,见图3。漏刻使用时,把水注入漏壶内,水便从壶孔中流出,流到水壶下放置的容器中,容器内有一根刻有时刻的标竿,称为箭。箭下以一只船相托,浮于水面。当水流出或流入壶中时,箭杆相应下沉或上升,古人从盖孔处看箭杆上的标记,就能知道具体的时刻。

  图3  交泰殿的铜壶漏刻

  需要说明的是,交泰殿的铜壶漏刻是我国历代漏刻中较为先进的。我国西周时期就出现了漏刻。早期漏刻大多使用单只漏壶,滴水速度受到壶中液位高度的影响,液位高,滴水速度较快,液位低,滴水速度较慢。为解决这一问题,古人进一步创制出多级漏刻装置。所谓多级漏刻,即使用多只漏壶,上下依次串联成为一组,每只漏壶都依次向其下一只漏壶中滴水。这样一来,对最下端的受水壶来说,其上方的一只泄水壶因为有同样速率的来水补充,壶内液位基本保持恒定,其自身的滴水速度也就能保持均匀。如唐初太常博士吕才制作了一种四级补偿型浮箭漏刻,称为“吕才漏刻”,其构造示意图见图4。该漏刻有四个壶,从上至下分为取名为夜天池、日天池、平壶、万分壶。水流从上述四个壶依次往下流,最后由万分壶流入一个装有抱浮箭铜人的木桶中,该木桶称为水海。水海的水位涨落时,浮箭上下移动,其刻度数即用于观察时辰。

  图4  吕才漏刻示意图

  交泰殿铜壶漏刻实际是仿造唐吕才漏刻制作,其基本组成包括1个铜人、5个铜壶。这5个铜壶由上至下分别取名为日天壶、夜天壶、平水壶、分水壶、受水壶,前4个铜壶为方斗形,第5个铜壶为圆柱形。各个壶的具体尺寸为:日天壶,上宽0.61米,下宽0.42米,高0.54米;夜天壶、平水壶、分水壶的各个方向尺寸依次均减小0.03米;受水壶直径为0.42米,高1米。受水壶内有一个铜人,面南,抱着一个能上下升降的“漏箭”。该箭又名量天尺,长1米,上面刻着白天和晚上的时刻,上面的刻度为中午十二点,下面的刻度为十一点。在漏箭底部,还有一个空鼓形的水漂(箭船),造型犹如铜鼓。当万水壶中的水位上涨时,船上浮,箭头往上缓缓上升;当水充满时,整个箭头都露出来了,这时要把壶中的水泄掉,箭头则缓缓下降。箭头上的时刻与赤道相符,每24个小时为一个循环,再在壶中注水,如此反复。每个壶都有盖子,且上层壶中水通过龙头形的短管滴入下层壶中。需要说明的是,该漏刻计时与晴雨天气无关,而铜人的主要目的是用于调壶。与早期漏刻相比,其科学性在于,当平水壶水面高于规定值,则可通过孔道将水泄于分水壶,以保证平水壶水面之平稳不变,从而保证仪器计时的正确。

  紫禁城的铜壶漏刻与日晷一样,在相当长的一段时间内,成为紫禁城内的主要计时工具。到了清代后期,自鸣钟开始流行,日晷和漏刻渐渐退出历史舞台,成为皇家礼制文化的组成部分。但是,它们构造简单,设计科学,实用性强,在很长的一段时间内为古人的生活提供了时间判断保障,因而是古代工匠智慧的体现。

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