天文记时仪器──水运仪象台

在许多大型仪器设备当中，有一种仪器能用多种形式来表达天体时空的运行，人们叫它做“天文钟”。它是把动力机械和许多传动机械组合在一个整体里，利用几组齿轮系把机轮的运动变慢，使它经常保持恒定的速度，和天体运动一致。它既能表示天象，又能计时。后世的钟表就是从它演变出来的。

我国宋代的“水运仪象台”就是这种天文钟的祖先；可以说是世界上最古老的天文钟，国际上对它给予高度的评价，认为“很可能是后来欧洲中世纪天文钟的直接祖先”。

宋哲宗元祐三年（公元1088年），在苏颂的领导下，制成了水运仪象台，设在当时的汴京（今河南开封）。

苏颂所著《新仪象法要》相当详细地介绍了水运仪象台的构造，反映了当时科学技术的卓越成就。这部书还附有全图、分图、详图六十多幅，多是透视图或示意图。

水运仪象台的高度以宋木矩尺计算是三十五尺六寸五分，将近十二米，宽二十一尺。全台是一座正方形上狭下广收分的木构建筑，用木板作台壁，板面画飞鹤。台分三层，底层向南有两个门；靠北台壁设有木板长台，是操作场所，打水人运转水轮的地方。操作台前面有一组提水机械：由升水下轮、升水下壶、升水上轮、升水上壶、河车以及天河组成。转动河车把水由升水下轮（筒车）逐级提升灌入到天河（受水槽）中。在这组提水机械的东边，有一组“铜壶滴漏”式的装置：在一个木架上设两个方水槽，高的是天池，低的是平水壶。平水壶有泄水管，使平水壶经常保持一定的水位，平水壶下端的出水口就能保持恒定的流量。平水壶之西有一座直径十一尺的枢轮，它是全台机械结构的原动轮，由水力推动。那是一个由三十六个水斗和钩状铁拨子组成的水轮。枢轮顶部附设一组杠杆装置，相当于钟表里面的“擒纵器”（俗称“卡子”）。它和公元十七世纪欧洲的锚状擒纵器非常相似，具有基本上相同的作用。

枢轮下面设有退水壶，退水壶有水管和升水下壶相连。这样周而复始，水流循环一周，泄水槽就又成了水源了。

当枢轮水斗注满一斗的时候，它的重量使枢权失去平衡。这时格叉向下倾，枢权向上扬起。枢轮上的铁拨子拨开关舌，拉动了天衡，使天关向上开启。枢轮向下转动一斗，天关又随即下落。由于左右天锁的擒纵抵拒的作用，使枢轮只转动一个水斗。枢轮运转的速度是由漏壶的流量决定的，由格叉和枢衡等一套擒纵器加以控制。

枢轮通过几组齿轮使天文仪器和计时仪器分别按一定的速度转动。当时关于机械构造的记载相当粗疏和简略。在《新仪象法要》一书中，只给出天轮和拨牙机轮各具有六百个齿，其余齿轮的齿数都没有写明。

计时仪器的机械装置在原书叫“昼夜机轮”。它前面有木阁几层：第一层木阁是昼夜钟鼓轮。轮上有三个不等高的小木柱（起凸轮的作用），可按时拨动三个木人的拨子，拉动木人手臂；一刻钟木人打鼓，时初摇铃，时正敲钟。第二层木阁是昼夜时初正轮，轮边有二十四个司辰木人，表示十二个时辰的时初、时正，相当于二十四时。这轮上的二十四个木人随着轮子转动按时在木阁门前出现。第三层木阁是报刻司辰轮，轮边有九十六个司辰木人，每一刻出现一人。第四层木阁是夜漏金钲轮，可以拉动木人按更击钲报更数，并且可以按季节进行调整来适应昼夜长短的变化。第五层木阁是夜漏司辰轮，轮边设三十八个司辰木人，木人位置可以按节气变动，从日入到日出按更筹排列。

台里在几层木阁的上面还设有浑象一座，浑象下部有木柜，上部在柜外，下部隐在柜中。浑象是一个球体，在球面布列天体星宿。浑象和昼夜机轮轴相接，随机轴由东向西转动，和天体视运动一致，使得球面星宿位置和天象相合。

台顶有露台，设有浑仪一座。通过齿轮和枢轮轴相连，使浑仪也能随天球转动，就好像近代望远镜有转仪钟控制随天球转动一样。浑仪是观测天体运行的仪器。浑仪的第二重仪器中增设了“天运单环”，使浑仪能随水轮运转。这是一个创造性的设计。浑仪上覆盖的“板屋”有九块可以活动的屋面板，作用和今天天文台可以开启的球形台顶相同。

苏颂倡导和主持了水运仪象台的创造，具有相当重大的意义和不可磨灭的功绩。同时参加这一工作的还有太史局的周日严等人，特别是吏部的韩公廉在计算工作方面劳绩最著。还有一些年轻的生员袁惟几等，学生侯永和等，以及测验规景和刻漏等专门工作人员，说明这是许多人共同的创造。它既继承了汉、唐以来天文学上的成果，同时又有不少创新，特别是在计时仪器部分。因此，可以说，水运仪象台是公元十一世纪末我国杰出的天文仪器，而尤其重要的是，它是体现出当时我国机械工程技术水平的卓越成就。