苏颂、韩公廉与水运仪象台

发布时间:2017年07月03日来源:河南省地方史志办公室打印本页关闭


  苏颂(1020 ~ 1101年),字子容,祖籍同安(今福建省泉州一带),后迁居三闰州丹阳(今江苏省镇江一带)。苏颂23岁时考中进士,开始了他的仕途生涯,历经宋仁宗、宋英宗、宋神宗、宋哲宗、宋徽宗五朝。起初,他任过宿州观察推官、江宁知县、南京留守推官。皇祐五年(1053年),苏颂调到京城开封,担任馆阁校勘、集贤校理等官职,负责编修书籍。在这个时期,苏颂博览秘阁中各种藏书,积累了渊博的知识,对历代的典章制度尤为熟悉。元祐年间(1086 ~ 1094年),苏颂被擢升为刑部尚书、尚书左丞,拜右仆射兼中书门下侍郎(宰相)。建中靖国元年(1101年)卒,终年82岁。赠司空,追封为魏国公。

  韩公廉,北宋人。籍贯、生卒年不详。曾任吏部令使,精通数学、天文学。

  苏颂和韩公廉的重要功绩是,继承和发扬了汉唐以来天文学的成果,创制了一座杰出的天文计时仪器——水运仪象台,设在当时的京城开封。水运仪象台的制成,体现了中国古代机械工程技术的卓越成就。

  元丰八年(1085 年),苏颂会同韩公廉及当时太史局的一些年轻生员,吸取各家之长,加以创新,共同设计、制造了水运仪象台。在仪器构思上,广泛吸收了以前各家仪器的优点,尤其是汲取了北宋初年天文学家张思训所改进的自动报时装置的长处;在机械结构方面,采用了民间使用的水车、筒车、桔槔、凸轮和天平秤杆等机械的原理,把观测、演示和报时设备集中起来,组成一个整体。正如苏颂所说:“今则兼采诸家之说,备存仪象之器,共置一台,台中有二隔,浑仪置于上,而浑象置于下,枢机轮轴隐于其中,钟鼓、时刻、司辰运于轮上,木阁五层蔽于前,司辰击鼓、摇铃、执牌出没于木阁内,以水激轮,轮转则仪象皆动,此兼用诸家之说也。”水运仪象台是一座把浑仪、浑象和报时装置三组器件组合在一起的高台建筑。仪器由水力推动运转。这座集天文观测、天象表演和报时三种功能于一体的天文台,受到国际天文学家的高度赞扬。英国著名科技史专家李约瑟曾说:“苏颂把时钟机械和观测用浑仪结合起来,在原理上已经完全成功。他比欧州人罗伯特、胡克先行了6 个世纪,比方和斐先行了7 个世纪。”

  在苏颂所著的《新仪象法要》一书中,详细介绍了水运仪象台的设计和制作情况。这部书共分3卷,上卷有图17种,包括浑仪、六合仪、三辰仪、四游仪总图各一种,分图13种;中卷有图19种,包括仪体设计总图1种,分图4种,星宿位置图5种,四时昏晓中星图9种;下卷有图27种,包括台体总图2种,分图21种,附别本做法图4种。全书附图共63种,图中绘有机械零件150余种。这是一套中国现存最早的十分珍贵的机械设计图纸。后人根据这些图,已成功地复制出当年的水运仪象台。

  《人民画报》上刊登了复原后的模型图片。1955年李约瑟写出《中国的天文钟》的论文,给予水运仪象台极高的评价。并将苏颂的《新仪象法要》一书译成英文,轰动了国外的科学界。

  根据《新仪象法要》记载,水运仪象台是一底座为正方形、下宽上窄,略有收分的木结构建筑。以宋尺为准,高度是3丈5尺6寸5分(约12米),宽2丈1尺(约7米),共分3层。

  上层是一个露天的平台,放置浑仪1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,屋顶能够随意开闭,以便于用浑仪观测天体、天象。露台到仪象台的台基共有7米多高。这一层结构的构思相当精妙,可以说是现代天文台活动屋顶的先声。

  中层是个没有窗户的暗室,里面放置浑象。浑象半露半藏,由机轮带动旋转,一昼夜转动一圈,真实地再现了星辰的起落等天象的变化。下层设有向南打开的大门,门里装置五层木阁,木阁后面是机械传动系统。

  第一层木阁为“正衙钟鼓楼”,负责全台的标准报时。木阁设有三个小门。到了每个时辰(古代一天分做十二时辰,一个时辰又分为时初和时正)的时初,就有一个穿红衣的木人在左门里摇铃;每逢时正,有一个穿紫衣的木人在右门里敲钟;每过一刻钟,一个穿绿衣的木人在中门击鼓。

  第二层木阁可以报告12个时辰的时初、时正名称,相当于时钟的时针表盘。

  第三层木阁专报刻的时间。共有96个司辰木人,其中有24个木人报时初、时正,其余木人报刻。

  第四层木阁报告晚上的时刻。木人可以根据四季的不同击钲报更数。

  第五层木阁设有38 个木人,木人位置可以随着节气的变更,报昏、晓、日出、日落以及几更几筹等情况。

  五层木阁里的木人之所以能够表演精彩准确的报时动作,是靠一套复杂的机械装置“昼夜轮机”带动的。动力机械是一具由36 个水斗和钩状铁拨构成的枢轮(水轮)。枢轮顶端有杠杆装置的“擒纵器”,枢轮的运转速度由水流量和擒纵器控制。然后枢轮利用几组齿轮使浑天仪和天文钟分别按一定的速度运转。整座仪器使用价值特别高,既能观测天文星象,测出日月星辰的位置,又能用于计时。因为它是由水力推动枢轮来起动机器运转,所以名称为水运仪象台。

  水力机械部分由一组车水机械和一组漏壶组成。车水机械的作用是提升水和供水,主要机械部件是一个两级筒车(升水轮)。由打水人摇动舵盘(河车),带动筒车回转,把水逐级提升,灌入受水槽板(天河)中,流入漏壶的天池。天池是一个大方水槽,起蓄水池作用。天池里的水由管道流入比它矮一层的平水壶。平水壶一方面接受天池的水源,同时设有泄水管装置和渴乌(一种虹吸装置)。以保持一定的水位和流量。从渴乌中流出的水冲击一个大型水轮,使它旋转,这就是整个仪象台的原动力部分。

  大动力水轮下面设有退水壶,退水壶有水管和升水下壶相连,以便水能循环使用,供给筒车提升水源。

  大水轮的顶部和下部有一组杠杆装置,类似于天平枰杆和托盘,起控制水轮运转速度的作用,使水轮只能间歇运转,而转速由漏壶的流量决定。由于采用了平水壶,渴乌流量大致均匀,因此水轮也几乎保持匀速旋转。苏颂和韩公廉所创造的由“天关”、“天衡”和“天锁”等部件组成的那组杠杆装置,可以说是今天钟表机械擒纵器的雏形。

  动力水轮的间歇运动通过齿轮系带动天柱旋转,天柱是全台的总传动轴,通过它再把运动传递到浑象、浑仪以及报时系统的“昼夜机轮”上去,来获得所需要的各种运动。

  苏颂和韩公廉制造的这台“水运仪象台”是世界上最早的自动化仪象台,也是世界上第一台天文钟。在国际上享誉很高。它的突出贡献体现在以下三个方面;第一,为了便于观测,屋顶设计成可以活动的,这是现代天文台圆顶的祖先;第二,浑象一昼夜自转一圈,形象地演示了天象的变化,成为现代天文台的跟踪机械——转仪钟的祖先;第三,苏颂和韩公廉创造的擒纵器,是后世钟表的关键部件,是后世钟表的祖先。

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