计时器历史发展

计时器历史发展
【中国古代计时器】【综述】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。

前者称为圭表，用来测量日中时间、定四季和辨方位；后者称为日晷，用来测量时间。

二者统称为太阳钟。

公元前1300～前1027年，中国殷商时期的甲骨文，已有使用圭表的记载。

《诗经·国风·定之方中》篇有，“定之方中，作于楚宫。

揆之以日，作于楚室……”。

确切记载使用圭表的时间为公元前659年。

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。

中国古代应用机械原理设计的计时器主要有两大类，一类利用流体力学计时，有刻漏和后来出现的沙漏；一类采用机械传动结构计时，有浑天仪、水运仪象台等。

此外，还有应用天文原理（大都根据日影方向测定时间）计时的日晷，它也是中国最古老的计时器之一。

【日晷】
相持既久，日晷渐移。

——明·马中锡《中山狼传》
日晷，又称“日规”，是我国古代利用日影测得时刻的一种计时仪器。

其原理就是利用太阳投射的影子来测定并划分时
刻。

日晷通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。

铜制的指针叫做“晷针”，垂直地穿过圆盘中心，起着圭表中立竿的作用，因此，晷针又叫“表”，石制的圆盘叫做“晷面”，安放在石台上，呈南高北低，使晷面平行于天赤道面，这样，晷针的上端正好指向北天极，下端正好指向南天极。

在晷面的正反两面刻划出12个大格，每个大格代表两个小时。

当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面，太阳由东向西移动，投向晷面的晷针影子也慢慢地由西向东移动。

晷面的刻度是不均匀的。

于是，移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面，以此来显示时刻。

早晨，影子投向盘面西端的卯时附近。

接着，日影在逐渐变短的同时，向北（下）方移动。

当太阳达正南最高位置（上中天）时，针影位于正北（下）方，指示着当地的午时正时刻。

午后，太阳西移，日影东斜，依次指向未、申、酉各个时辰。

由于从春分到秋分期间，太阳总是在天赤道的北侧运行，因此，晷针的影子投向晷面上方；从秋分到春分期间，太阳在天赤道的南侧运行，因此，晷针的影子投向晷面的下方。

世界上最早的日晷诞生于六千年前的巴比伦之大王国。

中国最早文献记载是《隋书·天文志》中提到的袁充于隋开皇十四年公元574年发明的短影平仪，即地平日晷。

赤道日晷的明确记载初见于南宋曾敏行的《独醒杂志》卷二中
提到的晷影图。

这种利用太阳光的投影来计时的方法是人类在天文计
时领域的重大发明，这项发明被人类所用达几千年之久，然日晷有一个致命弱点是阴雨天和夜里是没法使用的，直至1270年在意大利和德国才出现早期的机械钟，而中国则在1601年明代万历皇帝才得到二架外国的自鸣钟，清代时虽有很多进口和自制的钟表，但都为王宫贵府所用，一般平民百姓还是看天晓时。

所以彻底抛却日晷，看钟表知辰光还是近现代的事。

【圭表】圭表和日晷一样，也是利用日影进行测量的古代天文仪器，早在公元前7世纪，我国就开始使用了。

据说，日晷还是在它的基础上发展起来的。

圭表是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，我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二节令的日期，作为指导农事活动的重要依据。

圭表是我国古代度量日影长度的一种天文仪器，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，叫做表；正南正北方向平放的测定表影长度的刻板，叫做圭。

远古时的人们，日出而作，日没而息，从太阳每天有规律地东升西落，直观地感觉到了太阳与时间的关系，开始以太阳在天空中的位置来确定时间。

但这很难精确。

很早以前，人们发现房屋、树木等物在太阳光照射下会投出影子，这些影子的变化有一定的规律。

于是便在平地上直立一根竿子或石柱来观察影子的变化，这根立竿或立柱就叫做“表”；用一把尺子测量表影的长度和方向，则可知道时辰。

后来，发现正午时的表影总是投向正北方向，就把石板制成的尺子平铺在地面上，与立表垂直，尺子的一头连着表基，另一头则伸向正北方向，这把用石板制成的尺子叫“圭”。

正午时表影投在石板上，古人就能直接读出表影的长度值。

据记载，三千年前，西周丞相周公旦在河南登封县设置过一种以测定日影长度来确定时间的仪器，称为圭表。

这当为世界上最早的计时器。

经过长期观测，古人不仅了解到一天中表影在正午最短，而且得出一年内夏至日的正午，烈日高照，表影最短；冬至日的正午，煦阳斜射，表影则最长。

于是，古人就以正午时的表影长度来确定节气和一年的长度。

譬如，连续两次测得表影的最长值，这两次最长值相隔的天数，就是一年的时间长度，难怪我国古人早就知道一年等于365天多的数值。

在现存的河南登封观星台上，40尺的高台和128尺长的量天尺也是一个巨大的圭表。

圭表是中国古代观测天象的仪器。

在不同季节，太阳的出没方位和正午高度不同，并有周期变化的规律。

于露天将圭平置于表北面，根据圭上表影，测量、比较和标定日影的周日、周年变化，可以定方向、测时间、求出周年常数、划分季节和制定历法。

所以圭表测影是中国古代天文学的主要观测手段之一。

仪征铜圭表长34.5厘米，合汉制1.5尺，边缘上刻有尺寸单位；表高19.2厘米，合汉制8寸。

圭、表间用枢轴连接，使之合为一体。

使用时将表竖立与圭垂直；平时可将表折入圭体中留出的空档内，便于携带。

根据传统的说法，表高为8尺；这一数值曾被长期沿用。

该表的表高恰为8尺的1/10，说明它是一件便携式的测影仪器，可证明当时常设的天文台用8尺的表进行观测的说法是可信的。

圭表由圭和表两部份组成：圭是平放的有刻度的尺，表是直立的标竿，置于圭的两端且与圭垂直。

当太阳照着表的时候，圭上出现了表的影子，根据影子和方向和长度，就能读出时间。

春秋时代已经使用圭表测量连续两次日影最长和最短之间所经历的时间，并计算出回归年的长度。

中国现存最早的圭表是1965年在江苏仪征石碑村1号东汉墓出土。

圭表多以铜制。

一九六五年在江苏仪征的一座东汉中叶墓葬中出土了一件袖珍铜圭表，它由19.2厘米的表和34.39 厘米长的圭构成，圭表之间有枢轴相连，可将表平放于匣内，圭表合装一体，启合自如，携带方便，是设计家
和铸造师密切配合的杰作。

圭表测时的精度是与表的长度成正比的。

元代杰出的天文学家郭守敬在周公测时的地方设计并建造了一座测景台。

它由一座9.46米高的高台和从台体北壁凹槽里向北平铺的长长的建筑组成，这个高台相当于坚固的表，平铺台北地面的是“量天尺”即石圭。

这个硕大的“圭表”使测量精度大大提高。

以圭表测时，一直延至明清，现在南京紫金山天文台的一具圭表，是明代正统年间（1437－1442年）所造的。

【刻漏】又称漏刻、漏壶。

漏壶主要有泄水型和受水型两类。

早期的刻漏多为泄水型。

水从漏壶底部侧面流泄，格叉和关舌又上升，使浮在漏壶水面上的漏箭随水面下降，由漏箭上的刻度指示时间。

后来创造出受水型，水从漏壶以恒定的流量注入受水壶，浮在受水壶水面上的漏箭随水面上升指示时间，提高了计时精度。

为了获得恒定的流量，首先应使漏壶的水位保持恒定。

其次，向受水壶注水的水管截面面积必须固定，水管采用“渴乌”（虹吸）原理，便于调整和修理。

有两种保持水位恒定或接近恒定的方法，均见于宋代杨甲著《六经图》（刊于1153年）中的“齐国风挈壶氏图”。

图中“唐制吕才（约公元600～650）定”刻漏是在漏壶上方加几个补偿壶，“今制燕肃(1030)
定”刻漏采用溢流法，深四寸。

多余的水由平水壶（下匮）通过竹注筒流入减水盎。

燕肃创制的漏壶叫莲花漏，北宋时曾风行各地。

《全上古三代秦汉三国六朝文·全后汉文》中在桓谭（卒于公元56年）的文章里说刻漏度数因干、湿、冷、暖而异，在白天和夜间需要分别参照日晷和星宿核对。

当时已认识到水温和空气湿度对刻漏计时精度的影响。

刻漏的最早记载见于《周礼》。

已出土的文物中最古老的刻漏是西汉遗物，共3件，均为泄水型。

其中以1976年内蒙古自治区伊克昭盟杭锦旗出土的青铜漏壶最为完整，并刻有明确纪年。

比较完整的传世刻漏有两个，均为受水型：一个在北京中国历史博物馆，是元代延祐三年(1316)造；一个在北京故宫博物院，是清代制造。

【沙漏】西方发现最早的沙漏大约在公元1100年，比我国的沙漏出现要晚。

我国的沙漏也是古代一种计量时间的仪器。

沙漏的制造原理与漏刻大体相同,它是根据流沙从一个容器漏到另一个
容器的数量来计量时间。

这种采用流沙代替水的方法，是因为我国北方冬天空气寒冷，水容易结冰的缘故。

最著名的沙漏是《明史·天文志》载，1360年詹希元创制的“五轮沙漏”。

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。

后来周述学加大了流沙孔，以防堵塞，改用六个轮子。

由于无水压限制,沙漏比漏刻更精确。

宋濂(1310～1381)著《宋学士文集》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。

【浑天仪】浑天仪是浑仪和浑象的总称。

浑天仪浑仪是测量天体球面坐标的一种仪器，而浑象是古代用来演示天象的仪表。

它们是我国东汉天文学家张衡所制的。

西方的浑天仪最早由埃拉托色尼于公元前255年发明。

葡萄牙国旗上画有浑仪。

自马努埃一世起浑天仪成为该国之象征。

浑仪模仿肉眼所见的天球形状，把仪器制成多个同心圆环，整体看犹如一个圆球，然后通过可绕中心旋转的窥管观测天体。

浑仪的历史悠久，有人认为西汉落下闳、鲜于妄人、
耿寿昌都造过圆仪，东汉贾逵、傅安等在圆仪上加黄道环，改称“黄道铜仪”。

早期结构如何已没有记载。

而最早有详细结构记载的是东晋史官丞南阳孔挺在光初六年，即公元323年所造的两重环铜浑仪，这架仪器由六合仪和四游仪组成。

到了唐贞观七年，即公元633年，李淳风增加了三圾仪，把两重环改为三重仪，成为一架比较完备的浑仪，称为“浑天黄道仪”。

唐朝以后所造的浑仪，基本上与李淳风的浑仪相似，只是圆环或零部件有所增减而已。

随着浑仪环数的增加，观测时遮蔽的天区愈来愈多，因此，从北宋开始简化浑仪，到了元朝郭守敬则对浑仪进行彻底改革，创制出简仪。

浑象的构造是一个大圆球上刻画或镶嵌星宿、赤道、黄道、恒稳圈、恒显圈等，类似现今的天球仪。

浑象又有两种形式，一种形式是在天球外围---地平圈，以象征地。

天球转动时，球内的地仍然不动。

现代著作中把这种地在天内的浑象专称为“浑天象”。

通常认为浑象最初是由西汉耿寿昌创制。

东汉张衡的浑象是他设计的漏水转浑天仪的演示部分。

以后，天文学家还多次制造过浑象，并且和水力机械联系在一起，以取得和天球周日运动同步的效果。

唐代的一行和梁令瓒，宋代苏颂和韩公廉等人，把浑象和自动极时装置结合起来，发展成为世界上最早的天文钟。

应该说是被张衡改进过。

【水运仪象台】为北宋元祐三年(1088)苏颂、韩公廉等人所制。

他们于绍圣(1094～1097)初年著《新仪象法要》，载有总图和部件图多幅。

这台水运仪象台高三丈五尺余，宽二丈一尺，是一座上狭下广的木建筑。

台的下层有提水装置，由人力推动河车，带动升水上轮和下轮（筒车），将水提到天河（受水槽），注入天池（蓄水池）。

台中平水壶保持水位恒定，并通过一定截面的水管向枢轮（水轮）上的受水壶流泄恒定流量的水，推动枢轮。

枢轮通过传动齿轮带动昼夜机轮、浑象和浑仪。

水运仪象台有一套比较复杂的齿轮传动系统。

在枢轮的上方和圆周旁有“天衡”装置──擒纵机构，这是计时机械史上一项重大创造，它把枢轮的连续旋转运动变为间歇旋转运动。

在枢轮的上方和圆周旁有"天衡"装置──擒纵机构。

这是计时机械史上一项重大创造。

它把枢轮的连续旋转运动变为间歇旋转运动。

《新仪象法要》所载"天衡"图未绘出枢轮和装在枢轮上的受水壶,而书中的文字描述又仅寥寥数语:"枢轮直径一丈一尺,以七十二辐双植于一毂为三十六洪,束以三辋。

每洪夹持受水壶一，总三十六壶，每壶长一尺，阔五寸，深四寸。

于壶侧置铁拨牙以拨天衡关舌。

"因此对受水壶的结构，特别是它的工作原理有不同的推测，其中有一种方案采用了
可倾式受水壶。

当枢轮圆周上接受注水的受水壶积水不到一定的重量时，左天锁挡住枢轮的一个轮辐，使枢轮不能转动。

当积水到达一定的重量时，枢权（重锤）不足以平衡受水壶重力时，受水壶围绕转轴向下倾转。

装在壶侧的铁拨牙压迫格叉和关舌下降，关舌通过天条带动杠杆,使天关和左天锁上提,枢轮得以转动。

转过一个受水壶后,格叉和关舌又上升,天关连同左天锁下落，枢轮的下一对轮辐又被挡住。

右天锁的作用是防止枢轮转动时回弹。

天权和枢权是两个平衡重锤。

天权用于平衡左天锁和天关的一部分重力，可调整天衡机构的工作灵敏度。

枢权用于调整枢轮转动一对轮辐时受水壶所需的受水量，即间歇运动的周期，从而校正计时的误差。

苏颂水运仪象台结构图
苏颂水运仪象台【大明灯漏】1276年，中国元代的郭守敬制成大明灯漏。

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。

【中国近代机械计时器的早期发展】除了圭表、日晷、刻漏和“火钟”(点燃附有标尺或有标记的香烛)外，中国是世界上最早成功地制造机械计时器的国家。

中国古代机械计时器的特点是多与天文仪器相结合，既可以演示天象变化，又能同时报告时刻，而且是以一个机械系统
同时推动、控制和调节天文仪器和计时器。

这种机械装置在近代称为天文钟。

从东汉张衡(78～139)到唐(僧)一行(683～727)，这种计时器屡被制造。

宋初，张思训于公元979年制成世界上第一座有擒纵装置的“浑仪”。

其后，苏颂于宋元佑七年(1092)制作全部完成了古代文明史上最大型、最齐全、最先进的天文钟，称之为“水运仪象台”(详见上述)。

它们都是近代钟表的祖先。

不过，中国近代机械计时器及与之相关的知识的发展，却与传教士对欧洲近代机械钟表的传入是分不开的。

明末清初欧洲近代机械钟表的传入和改进
近代机械钟表发展的关键理论是17世纪由物理学家做出的。

伽利略(G.Galile,1564～1642)和惠更斯(C.Hoggens,1629～1695)各自独立地研究了摆线和单摆的等时性，为近代钟表的产生与兴起奠定了理论基础。

钟表也成为表征当时力学发展的重要技术成就。

欧洲从14世纪起流行以重锤驱动、以心轴节摆控制的机械钟(图2(a)所示自鸣钟)。

后者在明清时期称为“梳摆”图(a)。

图(a)未画出系于绳索上(见该图右下部)的驱动锤；图(b)中，AB为可调重锤，其中央C处有棘爪FG，以控制冕轮E的转动。

E轴上缠绕绳索，索一端悬挂驱动锤H。

伽利略晚年曾设计钟，但似乎未曾完成。

而后惠更斯于1657年取得了摆钟发明权，1673年又发明了盘簧、表簧。

1680年伦敦钟表师克莱门特(Clement)在钟表内装上节摆锚，即擒纵器。

这历史情况对于了解不同时期传入中国的
钟表状况是重要的。

可以说，明亡(1644)之前，耶稣会士带入中国的钟是欧洲古代水钟、沙漏，中世纪重锤驱动的钟或稍加改进的产品；从清顺治十五年(1658)起，传入中国的钟表有可能是惠更斯型钟；而康熙二十年(1681)以后，就有可能主要是带擒纵器和发条(或游丝)的钟(表)。

中世纪欧洲自鸣钟及其梳摆在耶稣会士进入中国大陆之前，居住澳门的外国商人和传教士已将中世纪欧洲钟携至澳门。

耶稣会士罗明坚(Michal Rvggier,1543～1607)和利玛窦(Matteo Ricci,1552～1610)分别于1581、1582年来华，他们不仅携带钟，而且有钟表修理匠随行。

《利玛窦中国札记》多处描写了利玛窦一行在肇庆、韶州、南昌和南京如何以钟表、三棱镜等奇巧之物赠送地方官吏、朝廷使臣，而换取居留当地或进京的许可；后者又如何贪婪地向他们索取这些奇巧之物。

当1601年初，利玛窦抵京，将其礼物包括自鸣钟二具奉呈朝廷时，“皇帝陛下(指明神宗)对这些新奇的钟如此着迷”，不仅为它“花了一千三百金币”造钟楼，高兴得连太监都“进级加俸”，甚至着急地“想看看这些送来礼物的异国人”。

这些钟是属于重锤驱动的自鸣钟或稍加改进的产品。

欧洲人普遍使用的沙漏、水钟(即水日晷)和重锤驱动的自鸣钟同时传入中国。

沙漏传入中国后，曾在航海上用作计时器。

乾?《?(1758)，周煌撰《琉球国志略》，言
及从福州开船到琉球，船行“一更为六十里”，并用沙漏计时，“每二漏半有零为一更”。

水钟初期传入中国者，如同《远西奇器图说》所绘“水日晷”，其原理类似古代中国的单壶漏。

实际上，这种水钟只是一种玩具，它不能均匀、准确地指示时刻；长期使用，漏孔也必为水垢、泥沙堵塞。

鉴于此，邹伯奇对它作了改进，以虹吸管代替漏孔。

邹伯奇改进的欧洲水钟绘图重锤驱动的自鸣钟，最早见于王徵(1571～1644)的《新制诸器图说》(完稿于明末天启七年1627年)一书。

该书所绘“轮壶图”就是这种机械钟，“轮壶”又称“轮钟”，王徵所绘只是示意图罢了。

轮壶图(图5)中央由下而上的四个圈，表示由重锤驱动的彼此啮合的齿轮，其上似“天平”之图就是梳摆。

王徵结合中国机械钟报时传统将报时装置改为敲钟、击鼓和司辰木偶。

当然，这一改就使王徵的设计比欧洲自鸣钟复杂得多。

王徵还根据这种自鸣钟原理设计了钟机传动的“自行车”、“自行磨”。

虽然它们并无实用价值，但表明王徵学会制造欧洲自鸣钟。

崇祯二年(1629)，徐光启主持历局，他在奏请制造天文仪器的清单中，有“候时钟三”。

候时钟虽未制成，但徐光启(1562～1633)最早提出向西方学制钟表的设想。

《新制诸器图说》绘轮壶图值得指出的是，从欧洲机
械钟传入之初，为适应中国人的计时制度，欧洲钟不得不在计时方法上作修改。

表盘显示数字由欧洲一日转两圈的24小时制改为中国的一日转一圈的十二时辰制，显时盘上的罗马数字也改成汉字。

明万历十年冬(1583年初)，罗明坚送肇庆府“总督”一架带车轮的大自鸣钟，是迄今所知最早作计时制修改的例子。

改成中国计时制后，“大钟鸣时，正午一击，初未二击，以至初子十二击；正子一击，初丑二击，以至初午十二击。

小钟鸣刻，一刻一击，以至四刻四击。

”入清后，又改为正午、正子各十二击。

或者，如王大海在《海岛逸志》中所述者: 《ㄊ敝樱砸蝗辗质保臃质
:子时一点，巳末十二点，午时又一点，亥末又十二点。

钟小者盈尺，大者高数尺，钟鸣之后，又有小钟十余事，铿锵可听，名曰闹钟。

这里的“十二时”是十二个时辰，“十二点”是指钟鸣响次数。

当然，在北京、天津、南京各地制造的钟表，也有时辰鸣钟数不完全相同者。

然而，十二时辰计时制及其显时盘从此一直延续到清末。

从顺治十五年(1658)起，传入中国者当有惠更斯型摆钟。

由于调查、研究不够，还不能向读者说清，今存故宫博物院等地的哪些钟属于这一类。

或许，存世者极少。

或许，清初刘献廷(1648～1695)《广阳杂记》所记民间制钟者张硕忱、吉坦然制的钟，属于这一类。

因为刘献廷记述中，只涉及钟内“大小轮多至二十余，皆以黄铜为之”。

既未涉及重锤梳摆，亦未涉及发
条之类。

康熙二十年(1681)起，有擒纵器和发条的机械钟传入中国。

康熙二十三年(1684)，康熙帝赐葡萄牙耶稣会士徐日升(Thomas Pereira，1645～1708)金扇，上绘自鸣钟，并作《戏题自鸣钟》诗。

诗曰: 昼夜循环胜刻漏，绸缪宛转报时全；
阴阳不改衷肠性，万里遥来二百年。

从诗中“衷肠”二字可见，有发条的机械钟表已传入中国。

时人称“发条”为“钢肠”。

《古今图书集成·历法典》卷九十四《仪象部》绘一闹钟(图6)，故宫藏清初时辰醒钟(图7)，大概都是早期输入中国或中国自制的具有发条和擒纵器的机械钟。

《古今图书集成》绘闹钟
清宫藏时辰醒钟欧洲机械钟传入中国后，民间有人相继学制机械钟。

刘献廷《广阳杂记》所记张硕忱、吉坦然二人制造自鸣钟的情形，就是其中一例。

在南京博物院珍藏一具铁制时辰钟，内有重锤和梳摆。

它大概是明末清初中国人自制的自鸣钟之一。

除了民间以外，清廷也设置了钟表作坊，大量制作机械钟表。

清宫内设钟表作坊大概起于康熙十六年(1677)前后。

该年，宫廷内“敬事房”下设“做钟处”，置“侍监首领一人”；在“端凝殿”置“兼自鸣钟执守侍首领一人，专司……并验钟鸣时刻”。

此后，“做钟处”逐渐扩。