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中国近代机械计时器的早期发展

发布时间:2008-05-08 作者:戴念祖 来源:www.jlbjb.com 浏览:9591

戴念祖  本期栏目主持人  关增建


  计时器在中国有悠久的历史,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”。(图1)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。
    

    图1  苏颂水运仪象台结构图


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)。    

    图2  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(图3)、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。乾隆二十三年(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(图4)。
    

    图3  《琉球国志略》绘沙漏


    

    图4  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。
    

    图5  《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:

  定时钟,以一日分十二时,钟分十二点: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。
    

    图6  《古今图书集成》绘闹钟

    

    图7  清宫藏时辰醒钟

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近代机械钟在中国的制作

  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”逐渐扩大,工匠增多。康熙三十年(1691)后,迁出廷,另设作坊,有厂房150余间,颇具规模;雍正时又成为造办处内一个作坊,从事保管、修理和制造钟表,供宫廷所需。在做钟处工作过的耶稣会士和欧洲钟匠,有利类思(Ludovice Buglio,1606~1683)、安文思(Gabrielde Magalhaens,1609~1677),瑞士钟表匠林济各(Pater Stedlin,1668~1740)等前后十余人。他们领导制造了各种钟表,还培养了不少钟表匠。如《皇朝礼器图式》(乾隆二十四年1795敕撰)卷三《仪器》中绘一自鸣钟(图8)和一时辰表(图9),清宫造紫檀插屏钟(见题图),黑漆描金楼式钟(见图10),都是清宫做钟处作品。有的是中西结合的特殊的钟,表盘以十二时初正记时,短针指时,长针指刻。表盘又以罗马数字示时辰初正。与宫内做钟几乎同时,在广州、苏州、南京、宁波、福州等地也先后有了家庭作坊式的钟表制造或修理业。制造钟表最重要的发条、游丝多自澳门、广州、宁波等地外商中购进。此外,清廷还从欧洲各国购买了各式各样艺术钟表。它们中,尚存北京故宫的一部分近年经整理,刊载于《清宫钟表珍藏》一书之中。
    

    图8  《皇朝礼器图式》绘清宫制自鸣钟
    

    图9  《皇朝礼器图式》绘清宫制时辰表


    

    图10  黑漆描金楼式钟(局部)


  自明末欧洲自鸣钟和计时器传入中国以来,钟表一直为人们所喜爱。据说,乾隆时贪官和坤家中藏大小自鸣钟38座,洋表百余个。小说《红楼梦》多处描写钟表,以表现荣国府的富有与奢侈。其中,有摆钟、时辰钟、价值560两银子的自鸣钟,以及欧洲式钟表、核桃大小的金表等。乾隆十六年(1751),印光任和张汝霖合撰《澳门纪略》,对该地西洋式钟表作了如下描写:

  三巴条有十二辰盘,揭之定时台前,俟某时钟动,则蟾蜍移至某位。自鸣钟有数种:曰桌钟;曰挂钟。小者圆如银铤,皆按时发响。起子末一声,至午初十二声;复起午末一声,至子初十二声。鸣时八音并奏者,谓之乐钟。欲知其辰而非其应鸣之时,则掣绳转机而报响,谓之问钟。小者亦可问。自行表,大小同日规月影,以及璇玑诸器。又一物如鹅卵,实沙其中,而颠倒渗泄之,以候更数,名曰鹅卵沙漏。

  这段文字可以看作鸦片战争之前传入中国的西洋钟表名目总汇。

  随着国内钟表制造的逐渐兴起,嘉庆十四年(1809),徐光启的后裔徐朝俊撰写了《钟表图说》一书,总结了有关制造技术和理论。全书包括:钟表名目,钟表事件节目,事件图,配齿轮法,作法,修钟表停摆法,装拆钟表法,用钟表法,钟表锁略等。全书50余帧机械零件图。从用途言之,它介绍了挂钟、摆钟、问钟、闹钟、座钟、乐钟、时辰钟、表和问表等多种,其中重点介绍了重锤驱动的挂钟和钢肠发动的摆钟。就摆言之,它介绍了六种摆:挂摆、担摆、梳摆、圆摆、管摆、蟹螯摆,总称为“量天尺”(图11)。《钟表图说》是我国历史上第一部有关机械钟的工艺大全,亦是当时难得的一部测时仪器和应用力学著作。
    

    图11  故宫藏六合验时仪


    

    图12  徐朝俊《钟表图说》绘六种钟摆


    

单摆知识的传入及应用

  随着钟表的传播,有关单摆的知识亦传入中国并为人们所掌握。

  在1674年成书的《新制灵台仪象志》卷四《垂线球仪》中,作者比利时耶稣会士南怀仁(1623~1688)介绍了单摆知识,包括摆的制作及其在测时方面的应用、单摆弧线运动和等时性原理、摆长与其振动周期平方成正比等内容。

  大约在《新制灵台仪象志》成书后约150年,邹伯奇(1819~1869)指出计算条形摆长所必需注意之处:“然摆之长短不在铜条之度,而在重心之高下:重心高者(摆)短也;重心下者(摆)长也。”

  重心概念在计算摆长中确实重要。邹伯奇还指出了改变条形摆长的方法。

  早期的秒摆是由图2中的梳摆发展而来的,在清宫内称其为“六合验时仪”,或简称“验时仪”、“验时仪坠子”。北京故宫博物院还藏有实物。在清代钟表行业中称其为“竖表”,南京博物院藏有实物。故宫博物院收藏乾隆九年(1744)制“六合验时仪”与《皇朝礼器图式》卷三《仪器》绘画完全一致,如图11。它类似一个置于盒内的复摆,摆锤铜质,摆杆钢质。经近年实验证实,其摆动周期为1秒。

  康熙年间曾用这种秒摆测定河水流速。康熙帝于三十一年(1692)在乾清门给众臣言及以验时坠子测定河流闸口每秒的流速,再乘以闸口面积,就可以算出闸口流量。这是康熙帝从耶稣会士学来的知识。康熙六十一年(1722)完成编纂的《数理精蕴》下编卷三十七第十题中,曾述及以“验时仪坠子”测定流速和流量:  

  请一木板一块,置于水面,用验时仪坠子候之,看六十秒内木板流远几丈。

  此法先用木板验水流之缓急,……看水之缓急则知水流之多少。故先求得河口面积,再以远乘之,即得水流之积数也。

  据《皇朝礼器图式》载,乾隆时曾用六合验时仪测定声速:该仪之摆“一往一返为一秒,七秒为五里,凡发声时拨之使动,验秒数以知声之远近。”由清代度量衡制,并将其换算成今制,知当时测得声速为411米/秒。这个数值不同于近代初期欧洲各种测定值,可断其为乾隆时中国声速测定值。
    作者:原中国科学院自然科学史研究所研究员 现为首都师范大学物理系教授

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