为了获得恒定的流量,首先应使漏壶的水位保持恒定。其次,向受水壶注水的水管
截面面积
必须固定,水管采用“
渴乌
”(
虹吸
)原理,便于调整和修理。有两种保持水位恒定或接近恒定的方法,均见于宋代
杨甲
著《
六经图
》(刊于1153年)中的“齐国风
挈壶氏
图”。“唐制吕才(约公元600~650)定”刻漏是在漏壶上方加几个补偿壶,“今制
燕肃
(1030)定”刻漏采用溢流法,深四寸。多余的水由平水壶(下匮)通过竹注筒流入减水盎。燕肃创制的漏壶叫
莲花漏
,北宋时曾风行各地。
《全上古三代秦汉三国六朝文·全后汉文》中在
桓谭
(卒于公元56年)的文章里说刻漏度数因干、湿、冷、暖而异,在白天和夜间需要分别参照日晷和星宿核对。当时已认识到水温和
空气湿度
对刻漏计时精度的影响。
刻漏的最早记载见于《
周礼
》。已出土的文物中最古老的刻漏是西汉遗物,共3件,均为泄水型。其中以1976年
内蒙古
自治区
伊克昭盟
杭锦旗
出土的青铜漏壶最为完整,并刻有明确纪年。比较完整的传世刻漏有两个,均为受水型:一个在北京
中国历史博物馆
,是元代
延祐
三年(1316)造;一个在
北京故宫博物院
,是清代制造。
古代文献中有
汉武帝
时(公元前140~前87)
洛下闳
、鲜于妄人作
浑天仪
之说,但未提到它的结构。
《晋书·天文志》记载东汉
张衡
(公元78~139)制造浑天仪,说在密室中用漏水驱动,仪器指示的星辰出没时间与天文观察的结果相符。
《新唐书·天文志》对唐开元十三年(725)
僧一行
和
梁令瓒
设计的浑天仪有较详细的记述。仪器上分别装有日、月两个
轮环
,用水轮驱动浑象。浑象每天转一周,日环转1/365周,仪器还装有两个木偶,分别击鼓报刻,是一座上狭下广的木建筑。
水运浑天仪
是一具依靠水力而使其运转,能模仿天体运行的仪器,并可以测定时间。这个
浑天仪
改进了汉代科学家
张衡
的设计,注水激轮,令其自转,昼夜一周,除了表现星宿的运动以外,还能表现日升月落,当然比张衡的
水运浑象仪
更加精巧、复杂了。所以,当水运
浑天仪
造成之后,置于武成殿前,文武百僚观看后,无不为其制作精妙,测定
朔望
、报告时辰准确而叹服,共称其妙。
特别需要提出的是在
水运浑天仪
上,还设有两个木人,(相关文物遗迹“
商州铜佛龛
”)用齿轮带动,一个木人每刻(古代
把一
昼夜分为一百刻)自动击鼓,一个木人每辰(合现在两个小时)自动撞钟。这两个木人当然应该说是运用
机械原理
而制成的古代机器人。这是一个十分巧妙的计时机械,是世界上最早的机械时钟装置,是现代机械类钟表的祖先,比公元1370年西方才出现的威克钟要早六个世纪,这充分显示了中国古代
劳动人民
和科学家的聪明才智。
尽管这架
水运浑天仪
在使用了一段时间后,便因铜铁渐涩,不能自转而进入博物馆了。但是,
僧一行
和梁令瓒却以获得天文钟的
发明权
而
永垂史册
。英国著名科技史家
李约瑟
博士在《
中国科学技术史
》第四卷中说:
僧一行
和梁令瓒所发明的平行联动装置,实质上就是最早的机械时钟,是一切
擒纵器
的祖先,走在欧洲14世纪第一具机械时钟的前面;西方关于钟表装置是14世纪早期欧洲的发明这一说法,是完全错误的。
水运浑天仪
上刻有
二十八宿
,注水激轮,每天一周,恰恰与
天体周日视运动
一致。水运浑天仪一半在
水柜
里,柜的上框,有如地则自然撞钟。整个水运浑天仪既能演示日、月、星辰的
视运动
,又能自动
报时
,有二木人,每刻(古代把一昼夜分做一百刻=0.
24小时
=14,4分钟)击鼓,每时辰(合现在两小时)撞钟。这是世界上最早将
擒纵装置
应用于计时,比外国自鸣钟的出现早了六百多年。一行等人的成就又超过了张衡。(也是最早的报时机器人)。
水运仪象台
水运仪象台有一套比较复杂的齿轮
传动系统
。 在枢轮的上方和圆周旁有“天衡”装置──
擒纵机构
,这是计时机械
世界史
上继一行之后的重大创造的继续,它把枢轮的连续
旋转运动
变为间歇旋转运动。
在枢轮的上方和圆周旁有"天衡"装置──擒纵机构。这是计时机械史上一项重大创造。它把枢轮的连续旋转运动变为间歇旋转运动。《
新仪象法要
》所载"天衡"图未绘出枢轮和装在枢轮上的受水壶,而书中的文字描述又仅寥寥
数语
:"枢轮直径一丈一尺,以七十二辐双植于一毂为三十六洪,束以三辋。每洪夹持受水壶一,总三十六壶,每壶长一尺,阔五寸,深四寸。于壶侧置铁拨牙以拨天衡关舌。"因此对受水壶的结构,特别是它的工作原理有不同的推测,其中有一种方案采用了可倾式受水壶。当枢轮圆周上接受注水的受水壶积水不到一定的重量时,左天锁挡住枢轮的一个
轮辐
,使枢轮不能转动。当积水到达一定的重量时,枢权(重锤)不足以平衡受水壶重力时,受水壶围绕转轴向下倾转。装在壶侧的铁拨牙压迫格叉和关舌下降,关舌通过天条带动杠杆,使天关和左天锁上提,枢轮得以转动。转过一个受水壶后,格叉和关舌又上升,天关连同左天锁下落,枢轮的下一对轮辐又被挡住。右天锁的作用是防止枢轮转动时回弹。天权和枢权是两个平衡重锤。天权用于平衡左天锁和天关的一部分重力,可调整天衡机构的工作灵敏度。枢权用于调整枢轮转动一对轮辐时受水壶所需的受水量,即间歇运动的周期,从而校正计时的误差。