渾天儀小型機械裝置

A. 渾天儀和地動儀的簡介

1、渾天儀

渾天儀有渾儀、渾象兩種。

渾儀，即圓儀是西漢落下閎曾製造的測量天體位置的儀器。其主要結構分外、中、內三層，外層由子午環、地平環等交結成固定的框架，放置在支架上；中層由黃、白道環等構成；內層由極軸、赤經雙環和窺管等組成。

渾象，即漏水轉運渾天儀是西漢耿壽昌發明的表示天象的儀器，東漢張衡對其進行了改造。

其構造是在一個直徑四尺多的空心銅球上，刻畫和鑲嵌有二十八宿、中外星宿以及黃赤道、南北極、二十四節氣等。用巧妙的機械系統將渾象和計時漏壺聯系起來，以計時漏壺滴出的水為動力，帶動渾象均勻地繞軸旋轉，使渾象的轉動與地球的周日運動相等。這樣，渾象就自動地將天象近似正確地演示出來。

2、地動儀

地動儀是漢代科學家張衡製作的測量地震的儀器。

由精銅鑄成，外表刻有篆文以及山、龜、鳥、獸等圖形。儀器內部中央立著一根銅質都柱；儀體外部周圍鑄著八條龍，按東，南，西，北，東南，東北，西南，西北八個方向布列。龍頭和內部信道中的發動機關相連，每個龍頭嘴裡銜有一粒小銅珠。

地上對准龍嘴處，蹲著八個銅蟾蜍，昂著頭，張著嘴。當某處發生地震，都柱便倒向那一方，觸動牙機，使發生地震方向的龍張嘴吐出銅珠，落到銅蟾蜍嘴裡，發出「當啷」聲響，人們就知道哪個方向發生地震。

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張衡(78年-139年)，字平子，南陽五聖之一，與司馬相如、揚雄、班固並稱漢賦四大家。中國東漢時期偉大的天文學家、數學家，在東漢歷任郎中、太史令、侍中、河間相等職。晚年因病入朝任尚書，於永和四年（139年）逝世，享年六十二歲，北宋時被追封為西鄂伯。

張衡在天文學方面著有《靈憲》、《渾儀圖注》等，數學著作有《算罔論》，文學作品以《二
京賦》、《歸田賦》等為代表。《隋書·經籍志》有《張衡集》14卷，久佚。明人張溥編有《張河間
集》，收入《漢魏六朝百三家集》。

張衡為中國天文學、機械技術、地震學的發展作出了傑出的貢獻，發明了渾天儀、地動儀，是東漢中期渾天說的代表人物之一，被後人譽為「木聖」。

由於他的貢獻突出，聯合國天文組織將月球背面的一個環形山命名為「張衡環形山」，太陽系中的1802號小行星命名為「張衡星」。
後人為紀念張衡在南陽建設有張衡博物館。

張衡所在那個時期，經常發生地震，有時候一年好幾次，發生一次大地震，就會給老百姓和國家帶來很多的傷害。當時的皇上和老百姓都把地震看作是不吉利的徵兆，認為是鬼神造成的。張衡卻不信神邪，他對記錄下來的地震現象經過細心的考察和試驗，發明了一個能測出地震的儀器。

公元138年2月的一天，地動儀正對著西方的龍嘴突然張開來，吐出了銅球，這是報告西部發生了地震呀。可是，那天洛陽一點地震的跡象也沒有，更沒有聽說附近有什麼發生了地震。於是，朝庭上下都議論紛紛，說張衡的地動儀是騙人的玩意兒。

過了沒幾天，有人騎著快馬來向朝廷報告，離洛陽一千多里的金城、隴西一帶發生了大地震，連山都有崩塌下來的。大夥兒這才真正的信服了。張衡雖然後來在政治上並不順利，但是，他的這些科學發明和實驗在我國科學史上留下了光輝的業績。

B. 有關渾天儀的詳細資料

渾天儀是渾儀和渾象的總稱。渾儀是測量天體球面坐標的一種儀器，而渾象是古代用來演示天象的儀表。它們是我國東漢天文學家張衡所制的。西方的渾天儀最早由埃拉托色尼於公元前255年發明。 葡萄牙國旗上畫有渾儀。自馬努埃一世起渾天儀成為該國之象徵。 西方的渾天儀 渾儀模仿肉眼所見的天球形狀，把儀器製成多個同心圓環，整體看猶如一個圓球，然後通過可繞中心旋轉的窺管觀測天體。渾儀的歷史悠久，有人認為西漢落下閎、鮮於妄人、耿壽昌都造過圓儀，東漢賈逵、傅安等在圓儀上加黃道環，改稱「黃道銅儀」。早期結構如何已沒有記載。而最早有詳細結構記載的是東晉史官丞南陽孔挺在光初六年，即公元323年所造的兩重環銅渾儀，這架儀器由六合儀和四游儀組成。到了唐貞觀七年，即公元633年，李淳風增加了三圾儀，把兩重環改為三重儀，成為一架比較完備的渾儀，稱為「渾天黃道儀」。 唐朝以後所造的渾儀，基本上與李淳風的渾儀相似，只是圓環或零部件有所增減而已。隨著渾儀環數的增加，觀測時遮蔽的天區愈來愈多，因此，從北宋開始簡化渾儀，到了元朝郭守敬則對渾儀進行徹底改革，創制出簡儀。 渾象的構造是一個大圓球上刻畫或鑲嵌星宿、赤道、黃道、恆穩圈、恆顯圈等，類似現今的天球儀。渾象又有兩種形式，一種形式是在天球外圍---地平圈，以象徵地。天球轉動時，球內的地仍然不動。現代著作中把這種地在天內的渾象專稱為「渾天象」。通常認為渾象最初是由西漢耿壽昌創制。東漢張衡的渾象是他設計的漏水轉渾天儀的演示部分。以後，天文學家還多次製造過渾象，並且和水力機械聯系在一起，以取得和天球周日運動同步的效果。唐代的一行和梁令瓚，宋代蘇頌和韓公廉等人，把渾象和自動極時裝置結合起來，發展成為世界上最早的天文鍾。 應該說是被張衡改進過。

C. 渾天儀是怎樣發展的

我國是一個歷來都非常重視農業發展的國家，農業生活的發展同時促成了歷法和天文觀測的開始，又因為古代中國人對天象都有濃厚的興趣，使中國在早期就形成了比較發達的天文科技。我國的天文學發展具有非常悠久的歷史，伴隨著天文學的發展，我國古代的測天儀器也有了飛快的發展。古代測天儀器中，最早的是圭表，在《詩經》和《周禮》中都記載了它的使用，可見它的發明有多早了。

古時候的另一種測天儀器叫做渾天，根據推測它可能開始於戰國，但是並沒有明確的記載。渾儀模仿肉眼所見的天球形狀，把儀器製成多個同心圓環，整體看就猶如一個圓球，然後通過可繞中心旋轉的窺管觀測天體。

渾儀的歷史悠久，最早出現「渾儀」這個詞是在《春秋文耀鉤》里，古人的「渾天」是指渾天儀，它既指測量天體的渾儀，也指演示天體的渾象。渾儀的發展具有一定的歷史，早期結構如何巳沒有記載。而最早有詳細結構記載的是東晉史官丞南陽孔挺在光初六年，即公元323年所造的兩重環銅渾儀，這架儀器由六合儀和四游儀組成。到了唐貞觀七年，即公元633年，李淳風增加了三辰儀，把兩重環改為三重儀，成為一架比較完備的渾儀，稱為「渾天黃道儀」。

渾天儀是渾天說的演示儀器，唐朝以後所造的渾儀，基本上與李淳風的渾儀相似，只是圓環或零部件有所增減而已。隨著渾儀環數的增加，觀測時張衡遮蔽的天區愈來愈多，因此，從北宋開始簡化渾儀，到了元朝郭守敬則對渾儀進行徹底改革，創制出簡儀。渾象的構造是一個大圓球上刻畫或鑲嵌星宿、赤道、黃道、恆穩圈、恆顯圈等，類似現今的天球儀。渾象又有兩種形式，一種形式是在天球外圍——地平圈，用來象徵地。天球轉動時，球內的地仍然不動。現代著作中把這種地在天內的渾象專稱為「渾天象」。通常認為渾象最初是由西漢耿壽昌創制。東漢張衡的渾象是他設計的漏水轉渾天儀的演示部分。張衡用一套設計精巧的漏壺與渾天儀結合起來使用，讓漏壺推動渾天儀轉動。這樣，在屋裡觀察渾天儀的轉動和圓球上恆星的升落，就可以知道天空中天象的真實情況。張衡還作了《渾天儀圖注》，既是渾天儀結構的詳細說明書，又是渾天說的代表著作。以後，天文學家還多次製造過渾象，並且和水力機械聯系在一起，以取得和天球周日運動同步的效果。唐代的曾一行和梁令瓚，宋代蘇頌和韓公廉等人，把渾象和自動計時裝置結合起來，發展成為世界上最早的天文鍾。

渾天儀運行的原理基礎是利用齒輪和設計巧妙的水力「滴漏」，帶動渾象繞軸旋轉，使渾象的旋轉與地球的周日運動相等，渾象每轉一圈，也就等於地球自轉一圈。但是，當時的人們還是很懷疑渾天儀是否真的能觀測天象。張衡為了證明自己設計發明的渾天儀真的能觀測天象，進行了一個小測試。他在室內依據渾天儀的顯示說出外面星星的位置，與戶外觀天象的人所看到的星象完全吻合，直到這時，人們才相信渾天儀真的能觀測天象。張衡所發明的渾天儀是根據以往的製做研究改進而成的，是相當成熟的作品。

水運渾天儀分為三層，分別是最底層的動力系統，因為是通過水力傳力而達到運行目的的，所以被稱為是「水運」；第二層的渾象是模擬天體運轉的儀器，叫作「象」；而最上面的一層是觀測天體運行的儀器成為「儀」，以這三個主要系統構成天文觀測台，是世界上最早的天文觀測站。

在渾天儀中，主要部分有三重，包括六合儀、三層儀和四游儀。除此之外，還包括窺管和座架。其中，六合儀是最外面的一層，由三套聯結在一起的環組成，是固定不動的。他們各個部分的結構特點和原理基礎如下：天元子午圈是正立的雙環，兩面都刻著周天的度數而沒有數字。地平圈是平卧的單環外弧面，刻干支八卦表示方向，內面刻分野，環的周圍有水渠，用來固定水準。天常赤道圈，是測立的單環，上面刻著十二個小時一百刻每時初中各四大刻一小刻。三辰儀，是位於中間的一重，由四套環組成，可以在六合儀內東西旋轉。二至圈是南北的雙環，二面各從南極起刻著半周天一百八十二度多。二分圈是南北方向的單環，沒有刻度。游旋赤道圈是東西向的單環，離開兩極各九十一度多，上面刻著二十八星宿。黃道圈，是雙環，與赤道圈交叉成二十四度角，內側面斜刻著二十八星宿。四游儀是位於最裡面的一重。由一套環和天軸組成，可以在三辰儀里東西旋轉。四游圈是南北方向的雙環，環面從北極起刻著半周天一百八十二度多。天軸是南北方向的雙條。窺管，形狀呈方形，貫穿於天軸的中心，中間有圓孔，管長與環正好吻合，可以在四游圈雙環里以及在天軸雙條中間移動。

渾天儀是中國古人為演說渾象說而設計製造的模仿天體運行的一種天文儀器。自從張衡發明創造了水運渾天儀以後，三國時期的王蕃、葛衡，晉朝的陸績，南朝的劉宋，南朝的陶宏景，隋朝的耿詢等都製造過。但在唐代曾一行之前，都沒有人能超過張衡的創造。渾天儀的發明，成為了現代鍾表的祖先，也為中國天文的發展作出了劃時代的貢獻。

D. 中國古代計時器的水運渾天儀

古代文獻中有漢武帝時(公元前140～前87)洛下閎、鮮於妄人作渾天儀之說，但未提到它的結構。
《晉書·天文志》記載東漢張衡 (公元78～139)製造渾天儀，說在密室中用漏水驅動，儀器指示的星辰出沒時間與天文觀察的結果相符。
《新唐書·天文志》對唐開元十三年(725)僧一行和梁令瓚設計的渾天儀有較詳細的記述。儀器上分別裝有日、月兩個輪環，用水輪驅動渾象。渾象每天轉一周，日環轉1/365周，儀器還裝有兩個木偶，分別擊鼓報刻，是一座上狹下廣的木建築。
水運渾天儀是一具依靠水力而使其運轉，能模仿天體運行的儀器，並可以測定時間。這個渾天儀改進了漢代科學家張衡的設計，注水激輪，令其自轉，晝夜一周，除了表現星宿的運動以外，還能表現日升月落，當然比張衡的水運渾象儀更加精巧、復雜了。所以，當水運渾天儀造成之後，置於武成殿前，文武百僚觀看後，無不為其製作精妙，測定朔望、報告時辰准確而嘆服，共稱其妙。
特別需要提出的是在水運渾天儀上，還設有兩個木人，（相關文物遺跡「商州銅佛龕」）用齒輪帶動，一個木人每刻（古代把一晝夜分為一百刻）自動擊鼓，一個木人每辰（合現在兩個小時）自動撞鍾。這兩個木人當然應該說是運用機械原理而製成的古代機器人。這是一個十分巧妙的計時機械，是世界上最早的機械時鍾裝置，是現代機械類鍾表的祖先，比公元1370年西方才出現的威克鍾要早六個世紀，這充分顯示了中國古代勞動人民和科學家的聰明才智。
盡管這架水運渾天儀在使用了一段時間後，便因銅鐵漸澀，不能自轉而進入博物館了。但是，僧一行和梁令瓚卻以獲得天文鍾的發明權而永垂史冊。英國著名科技史家李約瑟博士在《中國科學技術史》第四卷中說：僧一行和梁令瓚所發明的平行聯動裝置，實質上就是最早的機械時鍾，是一切擒縱器的祖先，走在歐洲14世紀第一具機械時鍾的前面；西方關於鍾表裝置是14世紀早期歐洲的發明這一說法，是完全錯誤的。
水運渾天儀上刻有二十八宿，注水激輪，每天一周，恰恰與天體周日視運動一致。水運渾天儀一半在水櫃里，櫃的上框，有如地則自然撞鍾。整個水運渾天儀既能演示日、月、星辰的視運動，又能自動報時,有二木人，每刻(古代把一晝夜分做一百刻=0.24小時=14,4分鍾)擊鼓，每時辰（合現在兩小時）撞鍾。這是世界上最早將擒縱裝置應用於計時，比外國自鳴鍾的出現早了六百多年。一行等人的成就又超過了張衡。（也是最早的報時機器人）。
一行等以新制的黃道游儀觀測日月五星的運動，測量一些恆星的赤道坐標和對黃道的相對位置，發現這些恆星的位置同漢代所測結果有很大變動。

E. 蔣煜的渾天儀

青年時代的蔣煜「精九數」，精通天文、歷法、數學，擅長於天文儀器，對前人的發明、創造作了詳盡的研究。他善於融會各家之長，並且敢於超越前人，而「獨有心得，為前人所未發方之」。
蔣煜發明製作機械運作的渾天儀時，「先以杉木作八、九寸圓胎，後用綿紙十餘層，皆粘以膠漆。上畫黃道、赤道、十二宮線、三垣、二十八宿以及恆星、客星、天河。其色之淺深，光芒之大小，悉與星象准」。這位「工寫真，紙上有生氣」的蔣煜從顏色、光芒、位置上逼真地再現了星象。然後，從赤道剖開，將木胎脫去，在內里裝上經過精密計算製造的機械鍾的零件，內用薄銅片作子口，以螺旋三面扭合。內裝四柱銅夾板，以二銅杠懸架於球內。用大發條一鼓，中心用九十六齒塔輪，次接二輪，側輪、尖齒輪、大圓擺。有了各種傳動裝置後，運用機械鍾鑰匙開動（旋緊發條）的方式，能走十日或半月。讓我們看看蔣煜發明的渾天儀機械運作的周詳細致而嚴謹的結構，「塔輪軸長四寸余，透於北極出地之處半寸許，用鑰匙開動。夾板前塔輪軸上套一百八十齒大輪，大輪內用卡輪卡簧，開動時方能隨旋。再以逆輪接赤道平分處三百六十齒大圈塔輪，每日走兩周，則天球每日走一周。又以三百五十九齒一圈與逆輪並接，中以活管套於塔輪軸上，外用一圈環於球上，圈上安一太陽運行一周，則太陽自然不及天一度。積一歲則太陽遲一周天」。實即表示出恆星日與太陽日之差別。
顯而易見，蔣煜的渾天儀與張衡創制的世界上最早利用水力的渾象（渾天儀）相比，似乎更有長處。張衡利用計時儀器漏壺滴出的水發動齒輪系統，帶動渾天儀繞軸旋轉，並使渾天儀的轉動與地球的周日運動相等，而將天象准確地表示出來。惜乎張衡所制水運渾天儀的復雜傳動系統制度沒有流傳下來。
清代科學家蔣煜思接古今，他所創制的渾天儀趨於微型，更為玲瓏精緻精密精巧，運轉自如，觀星測晷，瞭然心目，並能較精確地表示出恆星與太陽日之差別。蔣煜又於黃道上開一細槽，中束細銅絲圈，穿於太陽背面，使太陽依黃道（地球的公轉軌道平面和天球相交的大圓）而行，冬夏分南陸北陸。還在球上兩極處開小孔以套天軸。外用銅圈四足，架為地平。於南北設兩彎條，約3寸許。兩端有孔：一為北極出地之所；一為南極入地之所。其度數之差等可移動，以安兩軸為旋轉之機。准確地表現太陽與地球之間的運動關系。至於晝夜之分與二十四個節氣都能顯示，「地平上立十二呆線，為地盤十二宮，即十二時之分刻；黃道上寫節氣。太陽圈上安一小黑點，與太陽緊對，如暗虛然，日入則黑點升。如夜半時黑點在午宮，則知太陽在子宮；黑點在巳宮，則知太陽在亥宮；黑點在未宮，則知太陽在丑宮。余仿此，夜分即以此定時刻甚便」。
當時西方人製造的天球不能夠「自運」，更不能定時刻，是遠遠落後於清代南通州蔣煜創造發明的多功能渾天儀的。

F. 渾天儀的科技成就

張衡製造的渾天儀是依據渾天原理而製成。其形狀是個球形的東西，相當於現在的天球儀。渾天儀分做內外幾層，每層都可以轉動，中間有個鐵軸貫穿球心，軸的方向就是地球自轉的方向，軸和球體的接觸有兩個交點，即天球上的北極和南極。球的一半隱沒在地平圈的下面，另一半顯露在地平圈上面。在球的表面排列有二十八宿和其它恆星，球面上還有黃道圈和赤道圈，二者成24度夾角，分列有二十四節氣。從冬至點起（古代以冬至作為一年的開始），把圓分成365�0�4度，每度又細分成四個小格。球體外面有兩個圓圈，一個是地平圈，一個是子午圈，外圈圓周長為一丈四尺六寸一分。天軸支架在子午圈上，和地平斜交成36度，就是說北極高出地平36度。這是洛陽地區的北極仰角，也是洛陽地區的地理緯度。這架儀器的構造，幾乎囊括了當時所有先進的天文學知識。

G. 漏水轉渾天儀的介紹

漏水轉渾天儀簡稱渾天儀，為東漢科學家張衡於公元117年設計並製造的一件天文儀器，屬水運渾象，是有明確歷史記載的世界上第一架用水力發動的天文儀器。儀器通過轉動機械，把渾象和漏壺結合起來，以漏壺流水控制渾象，使它與天球同步轉動，以顯示星空的周日視運動。漏水轉渾天儀還有一個附屬機構即瑞輪冥菜，由傳動裝置和渾象相連，實現機械日歷功能。中國現存最早的渾天儀製造於明朝，陳列在南京紫金山天文台。