张衡的故事

急用

地动仪用精铜制成，圆经八尺，合盖隆起，形似酒樽。表面作金黄色，上部铸有八条金龙，分别伏在东、西、南、北及东北、东南、西北、西南八个方向。龙倒伏，龙首向下，龙嘴各衔一颗小铜球，与地上仰蹲张嘴的蟾蜍相对。地动仪空腔中央，立一根铜柱，上粗下细。铜柱周围有八根横杆，称为“八道”，各与一龙头相连。铜柱是震摆装置，八道用来控制和传导铜柱运动的方向。在地动仪受到地震波冲击时，铜柱就倒向发生地震的方向，推动同一方向的横杆和龙头，使龙嘴张开，铜球下落到蟾蜍嘴中，并发出响声，以提示人们注意发生了地震及地震的时间和方向。
一颗珠子放在平台上，如果将哪方稍微往下一按，珠于就向哪方滚动。又如我们点亮一支蜡烛，将它放在一张不平的桌子上，它总会向低的一方倒。地动仪就是根据这些简单的原理设计的。地动可以传到很远的地方，只不过太远了人就感觉不到了，但地动仪能准确地测到。

遗憾的是关于张衡浑天仪中的动力和传动装置的具体情况史书没有留下记载。
张衡写的有关浑天仪的文章也只留存片断。这片断中也没有提及动力和传动装置
问题。近几十年来，人们曾运用现代机械科技知识对这个装置作了一些探讨。最
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。因
此，就不能把这漏水再用来推动原动水轮。所以，原动水轮加齿轮传动系统的方
案近年来受到了怀疑。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。此种结
构比水轮带动齿轮系的结构较为合理。因为(i)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。(ii)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。(iii)更关键的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。而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。因此，看来浮子- 平衡重锤- 绳索系统比原动水轮- 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
前的小型实验尚不足以保证在张衡的仪器情况下也能成功，还有待更进一步的条
件极相近的模拟实验才能作出更可信的结论。

不管张衡的动力和传动系统的实情究竟如何，总之，他是用一个机械系统来
实现一种与自然界的天球旋转相同步的机械运动。这种作法本身在中国是史无前
例的。由此开始，我们诞生了一个制造水运仪象的传统，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。诚然，在公元前4世纪到公元前1世纪的希腊化时
代，西方也出现过一种浮子升降钟(anaphoric clock)，它的结构和最近人们所
设想的浮子- 平衡锤- 绳索系统浑天仪相仿，不过其中所带动的不是一架天球仪，
而是一块平面星图。可是在随后的罗马时代和黑暗的中世纪，浮子升降钟的传统
完全中断而消失。所以，中国的水运仪象传统对后世机械钟表的发展具有极其重
要的意义。而这个传统的创始者张衡的功绩自然也是不可磨灭的。

从当时人的描述来看，张衡浑天仪能和自然界的天球的转动配合得丝丝入扣，
“皆如合符”，可见浑天仪的转动速度的稳定性相当高。而浑天仪是以刻漏的运
行为基础的。由此可以知道，张衡的刻漏技术也很高明。

刻漏是我国古代最重要的计时仪器。目前传世的三件西汉时代的刻漏，都是
所谓“泄水型沉箭式单漏”。这种刻漏只有一只圆柱形盛水容器。器底部伸出一
根小管，向外滴水。容器内水面不断降低。浮在水面的箭舟(即浮子)所托着的刻
箭也逐渐下降。刻箭穿过容器盖上的孔，向外伸出，从孔沿即可读得时刻读数。
这种刻漏的计时准确性主要决定于漏水滴出的速度是否均匀。而滴水速度则与管
口的水压成正比变化。即随着水的滴失，容器内水面越来越降低，水的滴出速度
也会越来越慢

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