水钟博览

作者:崔玉亭 字数:8084 阅读:62 更新时间:2009/06/18

水钟博览

救命的“水贼”

  最简单的水钟就是一个底儿上有小孔的壶,叫漏壶。水由这里流完,便报告了一段时间。

  古埃及的漏坛,坛的内侧刻有代表时间的刻度。大约距今3000多年前,古埃及人就使用这种漏坛了。为了使水流得均匀,古埃及人特意把漏坛做成上大下小的钵型。

  古希腊用一种叫“克来卜希德拉”的漏坛来计时。“克来卜希德拉”的意思叫“水贼”。水从漏坛里流光大约要经过15分钟的时间。那时的人说多少时间,就叫几个“水贼”。

  古希腊的法庭审案子时有一项规定,就是不管是谁,在法庭上的发言时间,都是两个“水贼”,相当于现在的半小时。

  有这样一段故事:一个叫马卡斯的老实人,被坏蛋诬告进行了暗杀,受到法庭的审讯。诬告人首先发言,编造了种种谎言,胡说马卡斯杀了人,要求法官判处马卡斯的死刑。诬告人的谎言只有一个人能够揭穿,这个人就是马卡斯的好友朱里亚斯。但是,诬告人发言完了,朱里亚斯还没有来到法庭。

  “现在由被告马卡斯申诉!”法官板着面孔宣布以后,有人便把水灌满了漏坛——水贼。那水一滴滴地流了出来,表示着时间在流逝。老实的马卡斯诉说他没有杀过人,朱里亚斯当时在场,可以证明。但是,马卡斯四处张望,还是不见朱里亚斯来到,他急得头上冒出了汗珠。

  一个“克来卜希德拉”过去了,法官又命令注水,而证人还没有来。

  可怜的马卡斯重复着讲过的话,他两眼盯着那古老的“水贼”。滴、滴,答、答,他忽然发现,“水贼”里的水流慢了。马卡斯眼睛一亮,他故意加长了他的申诉,讲他的父亲、母亲、奶奶,一直扯到他奶奶的叔伯姐妹,而那“水贼”仍然没有流完!

  狡猾的诬告人看出了破绽,突然叫道:“有人往水贼里扔石子啦,这犯人至少讲了四个克来卡希德拉了,早该判刑了!”马卡斯吓得面色苍白,无言对答。死神啊,你为什么要来捉我这个无罪的人?上天啊,你为什么要冤枉我这个老实人?

  “慢——!”突然门口有人大声喊叫着冲了进来,听众忽然分开了,满头大汗的朱里亚斯冲了进来,诬告人吓得面色苍白,被拉了下去,原来是诬告人派人纠缠住了朱里亚斯,妄想用这种办法嫁祸给马卡斯。

  是谁往“水贼”里扔了石子呢?书里没有说。然而,有一点是毫无疑问的:那就是调整流水口的大小,会改变水钟指示的时间。小石子的确是把水钟“拨”慢了。

  有趣的小钟

  说起古代外国的水钟,有趣的事情可真不少呢。

  古代的巴比伦,是四大文明古国之一。巴比伦的水钟是一个又高又长的大圆筒,简底有个小漏水口。每天清晨管钟人便往筒里灌满水,那水就开始慢慢漏出,水钟开始走动了。管钟人站在圆筒一旁,看到水一流光,就高喊一声,向全城的人报时。他每天要喊6次,全城的人就听着他的喊叫进行各种活动:上工、下工、吃饭和午休、又上工……

  埃及是四大文明古国之一。2000多年前的古埃及,有个理发匠的儿子叫提西比阿斯,他创造了一个奇妙的水钟。这座水钟的钟面是一个竖直的圆柱,上面标着刻度和数字。圆柱的左面有一个小孩的塑像,那孩子的眼睛里一滴一滴地流出“眼泪”(其实是漏出的水)。那常流不断的“眼泪”流到了下面的木桶里,这滴滴的“泪水”推动一个轮子转动。那个水轮又通过一些机构和圆柱右面一个长着翅膀的天使塑像连接。小天使拿着一根小棒当指针。小天使随着水的流动慢慢从柱底升向柱顶,那小棒也就不断地指示着时间。

  1000多年前,巴格达国王哈龙·阿尔·瑞吉德送给法国国王亚斯查理曼一个水钟。这个水钟会发响报时,每个钟点有一定数目的铜球落到钟下边的铜盘里。钟上有12扇门,每个小时有一扇门打开。正午12点,12扇门全都打开了,便有12个小骑士从12扇门里跑出来,做出报时的样子。报告完毕,随后把所有的门都关了起来。

  有趣的是,本世纪80年代初,法国人在巴黎制成了一座巨大的水钟。这座水钟由左右两排几十个玻璃管和玻璃球组成,就像一串串的糖葫芦,不过,里边是空的,用荧光染成的水能在玻璃管和玻璃球里流动。大水钟高6米,采用了古希腊时代漏壶的原理。钟座下面安装一个水泵,它有规律地把水抽到顶部的蓄水池中。蓄水池有一个出水口,水以稳定的速度向下面的玻璃球中流动。人们可以从左排的12个大玻璃球中,看到有几个球充满了水,那就是几点钟。人们还可以从右边的30个小玻璃球中,看到有几个球充满了水,那就是多少分钟了。这座水钟用最新工艺造成,那荧光闪闪的流水体现着时间在流逝。此钟刚落成不久就有上百万人前去参观呢。

  1983年,在德国柏林的“欧洲中心”大商场,出现了一座高13米的现代水钟,它的构造和巴黎大水钟类似。右侧的玻璃柱叫分钟柱,它由30个算盘珠形的扁圆体串成,翠绿色的水向里边滴着,每滴满一个珠子就是过了两分钟,全滴满了刚好1小时,这时它里边的水便突然下降、流光——同时,左侧的时钟柱里便有一个大圆球灌满了翠绿色的水。

  每当正午或深夜零点时,水钟便显得格外宁静,所有的水柱和管道都变成空空的,没有颜色了,水钟告诉大家:一切重新开始!

  莲花漏

  宋代科学家燕肃研制成莲花漏以后,当局不采用,燕肃一方面继续申辩,一方面到处宣传,前后坚持了9年。这9年里,燕肃四处奔走,每到一个地方,就把莲花漏的制作方法刻在石头上,希望这个方法能传播出去。

  燕肃的石本莲花漏图一直流传到了元代。前面我们介绍过的元代科学家郭守敬,在他十五六岁的时候就得到了一件石本莲花漏图,很可能是燕肃遗留下来的石刻。少年郭守敬仔细地研究莲花漏图,并且考虑了莲花漏的制作方法。

  郭守敬在元朝政府任职以后,并没有停止对莲花漏的研制。一次,他和张文谦一起去大名出差,郭守敬就为当地制作了不少莲花漏。元太史院内灵台上有一个铜壶刻漏,也是郭守敬制作的莲花漏。这架莲花漏已经比宋代的更好用了。

  在1276年前后,郭守敬又创制了一架自动报时的七宝灯漏,献给元朝政府。元朝政府在召集会议时,常把七宝灯漏陈设在大明殿上。七宝灯漏高一丈六尺,用水激动机件,自动运转。机件中有云珠和珠梁,梁的两端有龙头,可以用来调整水流的缓急。七宝灯漏里的12个抱着时辰牌子的木偶,轮流走出来报时,还有4个木头分别去撞钟、敲鼓、击钲、打铙,报告时刻。七宝灯漏后来被人们称做“大明殿灯漏”,是一种独立的机械性计时仪器。

  郭守敬到了晚年,仍然勤勤恳恳研究漏壶。先后制造成了“柜香漏”、

  “屏风香漏”、“行漏”等等。公元1298年,68岁的郭守敬制成了“灵台水运浑天漏”,这是一台巨大的水钟,比唐代一行和梁令瓒制作的浑天铜仪还要精巧。可惜,郭守敬制作的这些漏壶都散失了。

  今天保存在中国历史博物馆的一套漏壶,是元代延祐三年(1316年)制成的。这一年86岁的郭守敬恰恰离开了人间。这是一种三级漏壶,把第一、二、三个水壶分别放在高、中、低的架子上,使水从第一壶漏到第二壶,然后到第三壶——平水壶。平水壶除了底部有个漏孔以外,上面还有个排水口。如果流进去的水过多,就会从排水口漫出,这样就保持住了平水壶的水位不变,使水稳定地漏到受水壶里。受水壶里的水平稳均匀地上涨,浮箭便能比较准确地报时了。

  宫里的刻漏由专人管理。管理人看了浮箭和刻度,到时就挂出时辰牌子,公布时辰。北京故宫里就有一间专放漏壶的房间。

  水钟的姐妹

  水钟的姐妹是奶钟和沙钟,它们的原理都是一样的。

  古埃及在尼罗河的一个岛上,建了一座庙。庙里供着古埃及的主神俄塞里斯。在庙的中央放着360个底上有小孔的牛奶桶,每一个桶派一个僧人看管,一共有360个僧人。每天有一个僧人拿牛奶装满他的桶,牛奶流完,恰恰是24小时。于是,第二个僧人便去装第二个奶桶。依次下去,每个僧人都轮到了,就过了一年。

  古埃及的统治者叫“法老”,相当于中国古代的皇帝。法老为什么要“养活”这么多僧人去计量时间,又为什么要用这么多奶钟,至今谁也猜不出他的想法。

  用牛奶来代替水是不经济的,用“皇粮”养活那么多吃闲饭的僧人,更是国家的负担。可是,水在冬天是会结冰的,怎么办呢?我国北宋时代的张思训想出了个好办法:用水银代替水钟里的水。水银不但不会结冰,而且比用水计时还要精确呢!

  水银太贵。人们想到了细细的沙粒,用沙粒代替水,便做成了沙钟。

  有一种在古代轮船上用的沙钟,它的样子像个两头粗中腰细的玻璃葫芦,上边灌满沙粒以后,细沙就从中腰的小孔慢慢地流到下边,当沙粒流完,就报告了一个时间。把沙钟倒过来,沙粒又从这一端向那一端流,第二个时间便开始了。古代海船上的水手常常凭沙钟来换班。

  要使沙钟走得准,所用的沙粒就应当是粗细均匀的。古人说,沙钟用的沙应当用大理石颗粒在酒里熬9次,每次煮开以后就撇去浮沫,最后再用太阳晒。沙钟里所用的沙粒是否都有这番经历,现在是无法考证了。

  我国元代时,有人发现水因为气温变化会发生热胀冷缩,漏壶计时便受到影响,于是研制了沙漏。这种沙漏要比瓶子里流沙的沙钟复杂得多了——它用流沙推动齿轮组,使指针在时刻盘上指示时刻。

  明朝初年有个叫詹希元的人,发明了一种叫“五轮沙漏”的沙钟。这种沙漏能够“击鼓自鸣”,就是说,到了一定的时刻,小鼓锤就自动敲一下鼓,向人们报告时间。“五轮沙漏”还用丁字盘和指针来指示时间,十分巧妙。后来,又有个叫周述学的人,改进了五轮沙漏,造出了六轮沙漏,不过,沙漏弄不好常发生阻塞,古人还是用水钟的多。

  公元5世纪的时候,我国北魏有个道士叫李兰,李兰改进了漏壶,创制了“称漏”。前边讲过,刻漏中有个受水壶,壶里有个浮箭,时间用浮箭来显示。李兰想,用受水壶里水的重量来显示时间,也许会更精确吧?称漏的构造是一杆吊着的秤,受水壶挂在秤钩上,用受水壶的重量计时间。李兰规定,流水一升,重量增加一斤,时间就经过了一刻钟。称漏的秤杆上也可以直接刻上时间,称一称,就能知道时间了。当时的称漏是怎样的,已经找不到原物了。

  漏箭与水银钟

  有了机械钟表,刻漏就进了博物馆。然而,水钟的历史却启示着后人:用漏水可以计时,用浮体可以传递水位的变化。这两条原理,在现代工程技术里还有不少用处呢!

  浮球开关是一种自动控制水位的装置,厕所水箱里就有这种开关。自来水管不断地向水箱里注水,那浮球就和古代的“漏箭”一样,随着水位上升,浮球就上升,这样便带着连杆移动,浮球升到规定位置时,连杆的另一头便使活塞堵住了水管,水就不流了。等到再冲水时,浮球又下落,活塞又打开……如此反复。你观察观察,那浮球和瞩箭的动作一个样呢!

  如果要让浮球开关带动一个电门 (通常是一个继电器的触头),这样就能造出一种自控制水位的“漏箭”了。高大的楼房,都安着屋顶水箱。水泵不断地向水箱里注水,水位慢慢上升,水箱里的浮球也就随着上升,当达到规定水位时,浮球便像古代的漏箭那样慢慢下降。当下降到指定水准时,浮球带动的连杆便触动了“停止按钮”,电动机就自动停车了。由于用户不断用水,水位下降,浮球带动连杆又触动了“启动按钮”,于是电动机又开动起来,水泵就自动上水了。用这种办法也可以实现农村水泵房的自动控制。

  古老的水银钟启发了现代的工程师,他们设计出了水银式时间继电器。这种继电器是由一个玻璃泡来控制时间的。玻璃泡被隔墙隔成两个室,用一个连通的导管相连接,在导管一侧有一个细小的漏嘴。不工作时,玻璃泡如左下图那样,两个电极是相互断开的,电流在这里通不过去。现在,我们想断闸以后几分钟让电器自动接通,怎么办呢?把电闸向上一推,玻璃泡便翻了个身,这时,重重的水银就要往下流了,可是,漏嘴很细,不能一下流满,只好让水银慢慢地流,像张思训发明的水银钟一样。当水银漫过了两个电极时,由于水银是导电的,便把电路接通了。“水银钟”的快慢可以通过玻璃泡倾斜的角度来控制。

  现代工程师的这些创造启示我们,学习科技史,开阔眼界,对于创造发明新技术是有帮助的。

  燃废的钟

  在电影《李时珍》里,李时珍给一个病儿吃了药,说“点上三炷香以后”,就可以看出变化。等三炷香点完,果然病儿的病情就好转了。

  李时珍是我国明代的医学家,那时我国仍然常用烧香来计量时间,一炷香就是一个时间单位。燃烧的香便是钟,是古老的火钟。

  找一支香,用尺子量好它的长度,点燃5分钟后,再量一下它的长度;再过5分钟后,又量一下它的长度。这样,就可以知道,在燃烧条件稳定的情况下,燃烧的速度基本上没有什么变化。

  让我们自己做个火钟吧:根据实验所得到的燃烧速度,比如,每5分钟燃烧掉1厘米,可以在同样的香上每隔1厘米刻上一个刻度。以后只要看看香燃掉的长度,就可以知道已经过去了多少时间。

  自制火钟的游戏告诉我们,燃烧着的香和流逝的水一样,可以计量时间。就是现代,人们有时还用“一袋烟的工夫”来估量时间。

  时间和运动是分不开的。要想比较准确计量时间,需要一个稳定的运动过程。燃速一分的香,稳定燃烧的蜡烛,均匀燃烧的油灯,都曾经被古人用来作为报时的钟。

  一盏油灯也可以是一座钟。给油灯注满一定量的油,等灯油燃完了,便报告了时间。古代的矿井里,曾经用油灯当作换班的标志,那油灯是个大陶器,一盏油灯大约要燃10个小时呢。

  1968年在河北省满城西汉古墓中发现了一盏铜灯——长信宫铜灯。这盏灯造型十分别致,高48厘米,形状是宫女双手执灯的样子。这盏灯是烧膏油的,由于有了灯罩,燃烧起来就比较稳定。灯上刻着文字,说这灯是公元

  前172年铸造的,它最初的主人是西汉的一位侯爷。这位侯爷夜间灯下读书时,是否要用注油的次数来计量时间,我们不得而知。不过,占人用这种方法计算时间长短,是屡见不鲜的。

  我国古代还有过一种“火闹钟”:把香放在一个小船形的槽里,在香的某一点,用细线系上两个铜铃,横挂在船形槽上。香从一头点起,烧到系线的地方就把线烧断,两个小铜铃就落在下面的金属盘里,人们听到响声,就知道预定的时刻到了。

  水时钟的发明

  水时钟是古代埃及人创造的一种计时装置。它出现于公元前1400年,至今开罗博物馆还珍藏有水时钟的实物。我国古代叫做漏壶或称刻漏的东西,也就是水时钟。

  由于水时钟计时不准确,当时人们都是把它和日光时钟配合使用的。到亚历山大王朝时代,人们又对水时钟进行了改进。其方法是用一个浮子来测知水面随时间的变化,并通过滑车把时间表示出来。这种改进后的水时钟的构造是相当巧妙的。

  对水时钟改进的关键部分是水流稳定装置。因为水时钟是否准确,关键在于流入贮水槽的水流速度是否保持稳定。为此,阿拉伯人进行了这样的改进:先使流进来的水进入一个小的中间水槽,这个中间水槽里有一个小型浮子,如果水进得多了,小浮子就上升,使中间水糟的入口关闭;中间水糟里的水流出去时,小浮子随之下降,进水口又打开了。

  这种控制水量的办法,实际上已经应用了现代自动控制技术最重要的“反馈控制”原理。这就是说,早在亚历山大王朝时代,阿拉伯人就已在水时钟上发明了自动控制的方法,尽管还很原始,但其设计思想确实是高超的。

  水时钟的时代一直继续到公元1500年前后,这期间人们还发明了落砂时钟、摆时钟、线香时钟等各式各样的计时工具。但相比之下,最突出的还是亚历山大时代的水时钟。它容易调节,而且是最准确的。

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