Astronomy 版 (精华区)

发信人: reise (旅行), 信区: Astronomy
标  题: 一、天文仪器的制造
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年10月19日16:07:26 星期天), 站内信件

　

由于对天文观测的重视和对天文观测精度要求的提高，这一时期的天文仪器不论在
数量、质量以及创新等方面都达到了前所未有的高峰。

　

1.一批巨型浑仪和简仪的制作

　

宋代制造的浑仪特别多，北宋从995年到1092年不到百年之中，先后铸成了五架巨
型浑仪，每架用铜均达2万斤左右。南宋时期又有多架浑仪问世。这种情况为前代
所未见。这些浑仪基本保持了传统的多环圈结构，有的在仪器校正和环圈设置方面
进行了某些改革。如从皇祐浑仪（1050年）起，不但沿用北魏孔挺浑仪（412年）
在仪器底座开凿水平沟，令底座处于水平位置的旧法，而且还在地平环上开了一圈
水平槽，以调节仪器工作部分保持水平状态。又如沈括浑仪（1074年），可通过浑
仪南北极轴孔观测北极星的位置，把极轴孔中心调整到北极星轨道的中心点上，使
浑仪的极轴得到校正。沈括还取消了白道环，意在减少不十分必要的环圈对天区的
遮掩。此外他还曾提出了改变某些环圈安置位置的建议。沈括关于浑仪的改革和设
计思想，到元代经郭守敬的努力，得到了充分的发展，遂有简仪的出现。

简仪仅保留了传统浑仪的四种最基本的环圈，并且把它们分成彼此独立的两组分别
安装。第一组由赤道环、百刻环和四游环组成，赤道环和百刻环与极轴相垂直，两
者重叠安装，其间平放四个圆筒形的短铜棍，使转动灵便，这是世界上滚筒轴承的
最早应用。四游环垂直安置于赤道环心之上，在四游环转轴顶端还安有定极环，用
来观测北极星，以校正仪器的极轴方向。这是一组赤道坐标装置，是世界上最早的
大赤道仪。第二组由阴纬环（即地平环）和立运环（相当于四游环）组成，立运环
垂直安置在阴纬环心之上，底座刻有水槽，用来校正阴纬环，使之处于水平面上。
它们构成了一组地平坐标装置，与近现代的地平经纬仪相当。简仪所取环圈的减少
，以及分组安装法和环心垂直安置法的采用，克服了传统浑仪环圈众多、遮蔽天区
的弊端，及多环同心交叉安置法的技术困难和较大误差，显示了适用性、灵活性和
准确性的优点。此外，简仪又以窥衡代替传统的窥管，即以两线取齐的照准法代两
圆孔面之间的照准法，起到了提高照准精度的作用。

　

2.燕肃莲花漏和沈括漏壶

　

在北宋燕肃于1030年发明莲花漏以前，张衡首创的补偿式漏壶一直沿用不衰，只是
历代有所改良而已。如晋代使用了三级漏壶，内中有二个补偿壶。又如唐代吕才的
漏壶，使用了四级漏壶，其中有三个补偿壶，即夜天池、日天池和平壶，它们依次
比较平稳地补充下一级补偿壶漏水的流逝，最终达到保持万分壶水位相对稳定的目
的。从理论上讲，补偿壶级数越多，万分壶的水位稳定性越好，但这也势必使漏壶
变成十分庞大的漏壶群，从制造和实用上都是有困难的。

燕肃莲花漏是一种新型的漫流式漏壶。为保持下匮（亦称平水壶）流量的稳定，燕
肃令上匮的水通过渴乌不断注入下匮，又在下匮上部开孔，由于上匮的流量稍大于
下匮的流量，遂使下匮总处于漫溢的状态，多余的水则由竹水筒引入减水盎中。这
样就十分圆满地解决了下匮水位保持恒定的问题，既提高了计时精度，又大大简化
了漏壶的结构，克服了补偿式漏壶过于庞大的缺点。燕肃以他的巧妙设计，在漏壶
发展史上写下了重要的一页。

沈括于1074年制成了新的漏壶（图3），他用一中间带孔（达）的隔板（介），把
复壶分成左右两半，相当于两个平水壶，这样可以大大减小复壶右半部中水的扰动
程度，是保持复壶漏水流量稳定的又一重要措施。沈括漏壶在燕肃莲花漏的基础上
又前进了一步，使漏壶的结构更趋合理与完善。(43)

　

3.水运仪象台

　

苏颂和韩公廉在1088年制成的水运仪象台(44)是这一时期出现的大型综合性天文仪
器的代表作。台高约12米，宽约7米，从外观上看是一座上狭下宽的塔形木结构建
筑物。其外部结构十分复杂，是一台把浑象、浑仪、报时、圭表等仪器集于一体的
天文仪器。在一漫流式漏壶流水的推动下，通过一套复杂的齿轮系统的传动，使上
述仪器处于协调同步的运动状态中，浑象可以自动地演示天象，浑仪可以自动地跟
踪天体，报时机构可以通过击钟、鼓、钲或出现木人等声像形式，自动地显示时、
刻、更、筹的推移，圭表可以用来测量日影，等等。台顶则有9块活动屋面板构成
，可随时开启。

水运仪象台是用多种形式表达天体时空运行的天文钟的祖先。它开启了近代钟表中
锚状擒纵器的先声。它还是近代用来控制望远镜随天球同步运转的转仪钟的先驱，
又是望远镜观测室活动屋顶的始祖。它以多方面的创造，在天文仪器史上占有重要
的地位。

　

4.高表的设计和景符的应用

　

我国古代传统的晷影测量一般是用8尺高竖立的表尺。为提高测影精度，增高表长
和改善测影方法，是两大途径，元代郭守敬在这两方面都取得了巨大的成功。
(45)在河南省登封县，郭守敬巧妙地设计了一座城墙式建筑，以砖砌为台，台上可
放置漏壶等天文仪器，其中起测影表尺作用的是台面正中砌成的垂直凹槽，有一横
梁置于凹槽上部，相当于表尺的顶端，它与圭面的垂直距离为四丈，即所谓四丈高
表。

从理论上讲，日中时，横梁的影子，应投到圭面上，但由于表高影淡，实际上是不
能轻易见到影子的。为使影子清晰可辨，郭守敬利用小孔成像的原理，设计成了小
巧灵便的景符（图4），令景符在圭面上南北方向移动，当横梁的影子正好平分米
粒大小的太阳象圆面时，由影子所当之处，就可读得四丈高表的影长值。下面我们
就要讲到高表和景符的创制和应用，对有关天文数据测算的良好影响。

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