华夏文明智慧

张衡发明的瑞轮

多才多艺的伟大发明家张衡

  “荚”是一件在当时的环境来说老百姓从未听说过的机械装置。“荚”是神话中的一种植物,据说长在尧帝的居室阶下。伴随着新月的出现,1天长1个荚,等到了月满的时候长到15个荚。过了月圆之后荚就会一天掉1个。这样一来我们就能够根据荚的树木就可以知道自己所在的一个朔望月中的哪一天,也就知道这天的月相了。这个神话在一方面反映了我们古老的先辈们的计时的一种依靠自然的方法,而张衡的“荚”就是在这个神话的启发下发明的。张衡依据“随月盈虚,依历开落”的规律做出的计时的仪器其作用就相当于现今钟表中的日期显示。

瑞轮

  让我们感到遗憾的是关于张衡浑天仪中的动力和传动装置的具体的一个描述并没有被详细的记录下来,而张衡写的有关浑天仪的文章也只留存片断,就算是这片断中也没有提及动力和传动装置问题。人们近几十年来曾运用现代机械科技知识对这个仪器进行了一些初步的探讨。起初人们曾认为是由一个水轮带动一组齿轮系统构成。但因有记载明言浑天仪是“以漏水转之”,而又有记载明言这漏水又是流入一把承水壶中以计量时间的。据此推断的话就不能把这漏水再用来推动原动水轮,于是人们将原来人为的原动水轮加齿轮传动系统的驱动设施近年来受到了怀疑。最近有人提出了一种完全不同的设计。他们把漏壶中的浮子用绳索绕过天球极轴,和一个平衡重锤相连。当漏壶受水时壶中水量增加,浮子上升,绳索另一头的平衡锤下降。这时绳索牵动天球极轴,产生转动。这种联动机构比水轮带动齿轮系的结构来说更加符合张衡所创造的仪器。因为首先张衡时代的齿轮构造尚相当粗糙,难以满足张衡浑天仪的精度要求。再者这个齿轮系必含有相当数量的齿轮,而齿轮越多,带动齿轮旋转的动力就必须越大。漏壶细小缓慢的水流量就越难以驱动这个系统。最后也是更加关键的一点就是前面已提到的漏壶流水无法既推动仪器,又用于显示时刻。但是浮子控制的绳索传动就可避开上述三大困难。人们已就此设想做过小型的模拟实验。用一个直径为6.5厘米,高3.5厘米的圆柱形浮子和一块27克重的平衡重锤,就可通过绳索带动质量为1040克的旋转轴体作比较均匀的转动。其不均匀的跃动在一昼夜中不过数次,且跃动范围多在2°以下,这种误差在古代的条件下是可以允许的。

瑞轮

  因此,看来浮子加平衡重锤加绳索系统比原动水轮加齿轮系统的合理性要大一些。不过,张衡的仪器是个直径达1米以上的铜制大物。目前的比较小范围的实验不足我们暂且先不问张衡的仪器的动力系统到底是如何运转的,在实际上的记载来说他确实使用机械传动系统来实现一种与自然界的天球旋转同步转动的机械运动。难能可贵的是这种作法本身在中国是史无前例的。这是我们国家的第一个制造水运仪象机械动力系统,它力图用机械运动来精确地反映天球的周日转动。而直到20世纪下半叶原子钟发明和采用之前,一切机械钟表都是以地球自转,亦即天球的周日转动为基础的。所以,中国的水运仪象传统乃是后世机械钟表的肇始。从张衡那时候的人们的描述来看,浑天仪能和自然界的天球的转动配合得同步运动,就如同“皆如合符”描述的那样,由此可见浑天仪的转动速度的稳定性已经相当的准确,而浑天仪是以刻漏的运行为基础的。由此可以知道,张衡的刻漏技术已经达到了当时的在全世界上已经算是在前列的水准了。