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水钟博览 |
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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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