蘇頌、韓公廉與水運儀象臺

發布時間:2017年07月03日來源:河南省地方史志辦公室打印本頁關閉


  蘇頌(1020 ~ 1101年),字子容,祖籍同安(今福建省泉州一帶),后遷居三閏州丹陽(今江蘇省鎮江一帶)。蘇頌23歲時考中進士,開始了他的仕途生涯,歷經宋仁宗、宋英宗、宋神宗、宋哲宗、宋徽宗五朝。起初,他任過宿州觀察推官、江寧知縣、南京留守推官。皇祐五年(1053年),蘇頌調到京城開封,擔任館閣校勘、集賢校理等官職,負責編修書籍。在這個時期,蘇頌博覽秘閣中各種藏書,積累了淵博的知識,對歷代的典章制度尤為熟悉。元祐年間(1086 ~ 1094年),蘇頌被擢升為刑部尚書、尚書左丞,拜右仆射兼中書門下侍郎(宰相)。建中靖國元年(1101年)卒,終年82歲。贈司空,追封為魏國公。

  韓公廉,北宋人。籍貫、生卒年不詳。曾任吏部令使,精通數學、天文學。

  蘇頌和韓公廉的重要功績是,繼承和發揚了漢唐以來天文學的成果,創制了一座杰出的天文計時儀器——水運儀象臺,設在當時的京城開封。水運儀象臺的制成,體現了中國古代機械工程技術的卓越成就。

  元豐八年(1085 年),蘇頌會同韓公廉及當時太史局的一些年輕生員,吸取各家之長,加以創新,共同設計、制造了水運儀象臺。在儀器構思上,廣泛吸收了以前各家儀器的優點,尤其是汲取了北宋初年天文學家張思訓所改進的自動報時裝置的長處;在機械結構方面,采用了民間使用的水車、筒車、桔槔、凸輪和天平秤桿等機械的原理,把觀測、演示和報時設備集中起來,組成一個整體。正如蘇頌所說:“今則兼采諸家之說,備存儀象之器,共置一臺,臺中有二隔,渾儀置于上,而渾象置于下,樞機輪軸隱于其中,鐘鼓、時刻、司辰運于輪上,木閣五層蔽于前,司辰擊鼓、搖鈴、執牌出沒于木閣內,以水激輪,輪轉則儀象皆動,此兼用諸家之說也。”水運儀象臺是一座把渾儀、渾象和報時裝置三組器件組合在一起的高臺建筑。儀器由水力推動運轉。這座集天文觀測、天象表演和報時三種功能于一體的天文臺,受到國際天文學家的高度贊揚。英國著名科技史專家李約瑟曾說:“蘇頌把時鐘機械和觀測用渾儀結合起來,在原理上已經完全成功。他比歐州人羅伯特、胡克先行了6 個世紀,比方和斐先行了7 個世紀。”

  在蘇頌所著的《新儀象法要》一書中,詳細介紹了水運儀象臺的設計和制作情況。這部書共分3卷,上卷有圖17種,包括渾儀、六合儀、三辰儀、四游儀總圖各一種,分圖13種;中卷有圖19種,包括儀體設計總圖1種,分圖4種,星宿位置圖5種,四時昏曉中星圖9種;下卷有圖27種,包括臺體總圖2種,分圖21種,附別本做法圖4種。全書附圖共63種,圖中繪有機械零件150余種。這是一套中國現存最早的十分珍貴的機械設計圖紙。后人根據這些圖,已成功地復制出當年的水運儀象臺。

  《人民畫報》上刊登了復原后的模型圖片。1955年李約瑟寫出《中國的天文鐘》的論文,給予水運儀象臺極高的評價。并將蘇頌的《新儀象法要》一書譯成英文,轟動了國外的科學界。

  根據《新儀象法要》記載,水運儀象臺是一底座為正方形、下寬上窄,略有收分的木結構建筑。以宋尺為準,高度是3丈5尺6寸5分(約12米),寬2丈1尺(約7米),共分3層。

  上層是一個露天的平臺,放置渾儀1座,用龍柱支持,下面有水槽以定水平。渾儀上面覆蓋有遮蔽日曬雨淋的木板屋頂,屋頂能夠隨意開閉,以便于用渾儀觀測天體、天象。露臺到儀象臺的臺基共有7米多高。這一層結構的構思相當精妙,可以說是現代天文臺活動屋頂的先聲。

  中層是個沒有窗戶的暗室,里面放置渾象。渾象半露半藏,由機輪帶動旋轉,一晝夜轉動一圈,真實地再現了星辰的起落等天象的變化。下層設有向南打開的大門,門里裝置五層木閣,木閣后面是機械傳動系統。

  第一層木閣為“正衙鐘鼓樓”,負責全臺的標準報時。木閣設有三個小門。到了每個時辰(古代一天分做十二時辰,一個時辰又分為時初和時正)的時初,就有一個穿紅衣的木人在左門里搖鈴;每逢時正,有一個穿紫衣的木人在右門里敲鐘;每過一刻鐘,一個穿綠衣的木人在中門擊鼓。

  第二層木閣可以報告12個時辰的時初、時正名稱,相當于時鐘的時針表盤。

  第三層木閣專報刻的時間。共有96個司辰木人,其中有24個木人報時初、時正,其余木人報刻。

  第四層木閣報告晚上的時刻。木人可以根據四季的不同擊鉦報更數。

  第五層木閣設有38 個木人,木人位置可以隨著節氣的變更,報昏、曉、日出、日落以及幾更幾籌等情況。

  五層木閣里的木人之所以能夠表演精彩準確的報時動作,是靠一套復雜的機械裝置“晝夜輪機”帶動的。動力機械是一具由36 個水斗和鉤狀鐵撥構成的樞輪(水輪)。樞輪頂端有杠桿裝置的“擒縱器”,樞輪的運轉速度由水流量和擒縱器控制。然后樞輪利用幾組齒輪使渾天儀和天文鐘分別按一定的速度運轉。整座儀器使用價值特別高,既能觀測天文星象,測出日月星辰的位置,又能用于計時。因為它是由水力推動樞輪來起動機器運轉,所以名稱為水運儀象臺。

  水力機械部分由一組車水機械和一組漏壺組成。車水機械的作用是提升水和供水,主要機械部件是一個兩級筒車(升水輪)。由打水人搖動舵盤(河車),帶動筒車回轉,把水逐級提升,灌入受水槽板(天河)中,流入漏壺的天池。天池是一個大方水槽,起蓄水池作用。天池里的水由管道流入比它矮一層的平水壺。平水壺一方面接受天池的水源,同時設有泄水管裝置和渴烏(一種虹吸裝置)。以保持一定的水位和流量。從渴烏中流出的水沖擊一個大型水輪,使它旋轉,這就是整個儀象臺的原動力部分。

  大動力水輪下面設有退水壺,退水壺有水管和升水下壺相連,以便水能循環使用,供給筒車提升水源。

  大水輪的頂部和下部有一組杠桿裝置,類似于天平枰桿和托盤,起控制水輪運轉速度的作用,使水輪只能間歇運轉,而轉速由漏壺的流量決定。由于采用了平水壺,渴烏流量大致均勻,因此水輪也幾乎保持勻速旋轉。蘇頌和韓公廉所創造的由“天關”、“天衡”和“天鎖”等部件組成的那組杠桿裝置,可以說是今天鐘表機械擒縱器的雛形。

  動力水輪的間歇運動通過齒輪系帶動天柱旋轉,天柱是全臺的總傳動軸,通過它再把運動傳遞到渾象、渾儀以及報時系統的“晝夜機輪”上去,來獲得所需要的各種運動。

  蘇頌和韓公廉制造的這臺“水運儀象臺”是世界上最早的自動化儀象臺,也是世界上第一臺天文鐘。在國際上享譽很高。它的突出貢獻體現在以下三個方面;第一,為了便于觀測,屋頂設計成可以活動的,這是現代天文臺圓頂的祖先;第二,渾象一晝夜自轉一圈,形象地演示了天象的變化,成為現代天文臺的跟蹤機械——轉儀鐘的祖先;第三,蘇頌和韓公廉創造的擒縱器,是后世鐘表的關鍵部件,是后世鐘表的祖先。

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