浑天仪小型机械装置

A. 浑天仪和地动仪的简介

1、浑天仪

浑天仪有浑仪、浑象两种。

浑仪，即圆仪是西汉落下闳曾制造的测量天体位置的仪器。其主要结构分外、中、内三层，外层由子午环、地平环等交结成固定的框架，放置在支架上；中层由黄、白道环等构成；内层由极轴、赤经双环和窥管等组成。

浑象，即漏水转运浑天仪是西汉耿寿昌发明的表示天象的仪器，东汉张衡对其进行了改造。

其构造是在一个直径四尺多的空心铜球上，刻画和镶嵌有二十八宿、中外星宿以及黄赤道、南北极、二十四节气等。用巧妙的机械系统将浑象和计时漏壶联系起来，以计时漏壶滴出的水为动力，带动浑象均匀地绕轴旋转，使浑象的转动与地球的周日运动相等。这样，浑象就自动地将天象近似正确地演示出来。

2、地动仪

地动仪是汉代科学家张衡制作的测量地震的仪器。

由精铜铸成，外表刻有篆文以及山、龟、鸟、兽等图形。仪器内部中央立着一根铜质都柱；仪体外部周围铸着八条龙，按东，南，西，北，东南，东北，西南，西北八个方向布列。龙头和内部信道中的发动机关相连，每个龙头嘴里衔有一粒小铜珠。

地上对准龙嘴处，蹲着八个铜蟾蜍，昂着头，张着嘴。当某处发生地震，都柱便倒向那一方，触动牙机，使发生地震方向的龙张嘴吐出铜珠，落到铜蟾蜍嘴里，发出“当啷”声响，人们就知道哪个方向发生地震。

(1)浑天仪小型机械装置扩展阅读

张衡(78年-139年)，字平子，南阳五圣之一，与司马相如、扬雄、班固并称汉赋四大家。中国东汉时期伟大的天文学家、数学家，在东汉历任郎中、太史令、侍中、河间相等职。晚年因病入朝任尚书，于永和四年（139年）逝世，享年六十二岁，北宋时被追封为西鄂伯。

张衡在天文学方面著有《灵宪》、《浑仪图注》等，数学著作有《算罔论》，文学作品以《二
京赋》、《归田赋》等为代表。《隋书·经籍志》有《张衡集》14卷，久佚。明人张溥编有《张河间
集》，收入《汉魏六朝百三家集》。

张衡为中国天文学、机械技术、地震学的发展作出了杰出的贡献，发明了浑天仪、地动仪，是东汉中期浑天说的代表人物之一，被后人誉为“木圣”。

由于他的贡献突出，联合国天文组织将月球背面的一个环形山命名为“张衡环形山”，太阳系中的1802号小行星命名为“张衡星”。
后人为纪念张衡在南阳建设有张衡博物馆。

张衡所在那个时期，经常发生地震，有时候一年好几次，发生一次大地震，就会给老百姓和国家带来很多的伤害。当时的皇上和老百姓都把地震看作是不吉利的征兆，认为是鬼神造成的。张衡却不信神邪，他对记录下来的地震现象经过细心的考察和试验，发明了一个能测出地震的仪器。

公元138年2月的一天，地动仪正对着西方的龙嘴突然张开来，吐出了铜球，这是报告西部发生了地震呀。可是，那天洛阳一点地震的迹象也没有，更没有听说附近有什么发生了地震。于是，朝庭上下都议论纷纷，说张衡的地动仪是骗人的玩意儿。

过了没几天，有人骑着快马来向朝廷报告，离洛阳一千多里的金城、陇西一带发生了大地震，连山都有崩塌下来的。大伙儿这才真正的信服了。张衡虽然后来在政治上并不顺利，但是，他的这些科学发明和实验在我国科学史上留下了光辉的业绩。

B. 有关浑天仪的详细资料

浑天仪是浑仪和浑象的总称。浑仪是测量天体球面坐标的一种仪器，而浑象是古代用来演示天象的仪表。它们是我国东汉天文学家张衡所制的。西方的浑天仪最早由埃拉托色尼于公元前255年发明。 葡萄牙国旗上画有浑仪。自马努埃一世起浑天仪成为该国之象征。 西方的浑天仪 浑仪模仿肉眼所见的天球形状，把仪器制成多个同心圆环，整体看犹如一个圆球，然后通过可绕中心旋转的窥管观测天体。浑仪的历史悠久，有人认为西汉落下闳、鲜于妄人、耿寿昌都造过圆仪，东汉贾逵、傅安等在圆仪上加黄道环，改称“黄道铜仪”。早期结构如何已没有记载。而最早有详细结构记载的是东晋史官丞南阳孔挺在光初六年，即公元323年所造的两重环铜浑仪，这架仪器由六合仪和四游仪组成。到了唐贞观七年，即公元633年，李淳风增加了三圾仪，把两重环改为三重仪，成为一架比较完备的浑仪，称为“浑天黄道仪”。 唐朝以后所造的浑仪，基本上与李淳风的浑仪相似，只是圆环或零部件有所增减而已。随着浑仪环数的增加，观测时遮蔽的天区愈来愈多，因此，从北宋开始简化浑仪，到了元朝郭守敬则对浑仪进行彻底改革，创制出简仪。 浑象的构造是一个大圆球上刻画或镶嵌星宿、赤道、黄道、恒稳圈、恒显圈等，类似现今的天球仪。浑象又有两种形式，一种形式是在天球外围---地平圈，以象征地。天球转动时，球内的地仍然不动。现代著作中把这种地在天内的浑象专称为“浑天象”。通常认为浑象最初是由西汉耿寿昌创制。东汉张衡的浑象是他设计的漏水转浑天仪的演示部分。以后，天文学家还多次制造过浑象，并且和水力机械联系在一起，以取得和天球周日运动同步的效果。唐代的一行和梁令瓒，宋代苏颂和韩公廉等人，把浑象和自动极时装置结合起来，发展成为世界上最早的天文钟。 应该说是被张衡改进过。

C. 浑天仪是怎样发展的

我国是一个历来都非常重视农业发展的国家，农业生活的发展同时促成了历法和天文观测的开始，又因为古代中国人对天象都有浓厚的兴趣，使中国在早期就形成了比较发达的天文科技。我国的天文学发展具有非常悠久的历史，伴随着天文学的发展，我国古代的测天仪器也有了飞快的发展。古代测天仪器中，最早的是圭表，在《诗经》和《周礼》中都记载了它的使用，可见它的发明有多早了。

古时候的另一种测天仪器叫做浑天，根据推测它可能开始于战国，但是并没有明确的记载。浑仪模仿肉眼所见的天球形状，把仪器制成多个同心圆环，整体看就犹如一个圆球，然后通过可绕中心旋转的窥管观测天体。

浑仪的历史悠久，最早出现“浑仪”这个词是在《春秋文耀钩》里，古人的“浑天”是指浑天仪，它既指测量天体的浑仪，也指演示天体的浑象。浑仪的发展具有一定的历史，早期结构如何巳没有记载。而最早有详细结构记载的是东晋史官丞南阳孔挺在光初六年，即公元323年所造的两重环铜浑仪，这架仪器由六合仪和四游仪组成。到了唐贞观七年，即公元633年，李淳风增加了三辰仪，把两重环改为三重仪，成为一架比较完备的浑仪，称为“浑天黄道仪”。

浑天仪是浑天说的演示仪器，唐朝以后所造的浑仪，基本上与李淳风的浑仪相似，只是圆环或零部件有所增减而已。随着浑仪环数的增加，观测时张衡遮蔽的天区愈来愈多，因此，从北宋开始简化浑仪，到了元朝郭守敬则对浑仪进行彻底改革，创制出简仪。浑象的构造是一个大圆球上刻画或镶嵌星宿、赤道、黄道、恒稳圈、恒显圈等，类似现今的天球仪。浑象又有两种形式，一种形式是在天球外围——地平圈，用来象征地。天球转动时，球内的地仍然不动。现代著作中把这种地在天内的浑象专称为“浑天象”。通常认为浑象最初是由西汉耿寿昌创制。东汉张衡的浑象是他设计的漏水转浑天仪的演示部分。张衡用一套设计精巧的漏壶与浑天仪结合起来使用，让漏壶推动浑天仪转动。这样，在屋里观察浑天仪的转动和圆球上恒星的升落，就可以知道天空中天象的真实情况。张衡还作了《浑天仪图注》，既是浑天仪结构的详细说明书，又是浑天说的代表著作。以后，天文学家还多次制造过浑象，并且和水力机械联系在一起，以取得和天球周日运动同步的效果。唐代的曾一行和梁令瓒，宋代苏颂和韩公廉等人，把浑象和自动计时装置结合起来，发展成为世界上最早的天文钟。

浑天仪运行的原理基础是利用齿轮和设计巧妙的水力“滴漏”，带动浑象绕轴旋转，使浑象的旋转与地球的周日运动相等，浑象每转一圈，也就等于地球自转一圈。但是，当时的人们还是很怀疑浑天仪是否真的能观测天象。张衡为了证明自己设计发明的浑天仪真的能观测天象，进行了一个小测试。他在室内依据浑天仪的显示说出外面星星的位置，与户外观天象的人所看到的星象完全吻合，直到这时，人们才相信浑天仪真的能观测天象。张衡所发明的浑天仪是根据以往的制做研究改进而成的，是相当成熟的作品。

水运浑天仪分为三层，分别是最底层的动力系统，因为是通过水力传力而达到运行目的的，所以被称为是“水运”；第二层的浑象是模拟天体运转的仪器，叫作“象”；而最上面的一层是观测天体运行的仪器成为“仪”，以这三个主要系统构成天文观测台，是世界上最早的天文观测站。

在浑天仪中，主要部分有三重，包括六合仪、三层仪和四游仪。除此之外，还包括窥管和座架。其中，六合仪是最外面的一层，由三套联结在一起的环组成，是固定不动的。他们各个部分的结构特点和原理基础如下：天元子午圈是正立的双环，两面都刻着周天的度数而没有数字。地平圈是平卧的单环外弧面，刻干支八卦表示方向，内面刻分野，环的周围有水渠，用来固定水准。天常赤道圈，是测立的单环，上面刻着十二个小时一百刻每时初中各四大刻一小刻。三辰仪，是位于中间的一重，由四套环组成，可以在六合仪内东西旋转。二至圈是南北的双环，二面各从南极起刻着半周天一百八十二度多。二分圈是南北方向的单环，没有刻度。游旋赤道圈是东西向的单环，离开两极各九十一度多，上面刻着二十八星宿。黄道圈，是双环，与赤道圈交叉成二十四度角，内侧面斜刻着二十八星宿。四游仪是位于最里面的一重。由一套环和天轴组成，可以在三辰仪里东西旋转。四游圈是南北方向的双环，环面从北极起刻着半周天一百八十二度多。天轴是南北方向的双条。窥管，形状呈方形，贯穿于天轴的中心，中间有圆孔，管长与环正好吻合，可以在四游圈双环里以及在天轴双条中间移动。

浑天仪是中国古人为演说浑象说而设计制造的模仿天体运行的一种天文仪器。自从张衡发明创造了水运浑天仪以后，三国时期的王蕃、葛衡，晋朝的陆绩，南朝的刘宋，南朝的陶宏景，隋朝的耿询等都制造过。但在唐代曾一行之前，都没有人能超过张衡的创造。浑天仪的发明，成为了现代钟表的祖先，也为中国天文的发展作出了划时代的贡献。

D. 中国古代计时器的水运浑天仪

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）。
一行等以新制的黄道游仪观测日月五星的运动，测量一些恒星的赤道坐标和对黄道的相对位置，发现这些恒星的位置同汉代所测结果有很大变动。

E. 蒋煜的浑天仪

青年时代的蒋煜“精九数”，精通天文、历法、数学，擅长于天文仪器，对前人的发明、创造作了详尽的研究。他善于融会各家之长，并且敢于超越前人，而“独有心得，为前人所未发方之”。
蒋煜发明制作机械运作的浑天仪时，“先以杉木作八、九寸圆胎，后用绵纸十余层，皆粘以胶漆。上画黄道、赤道、十二宫线、三垣、二十八宿以及恒星、客星、天河。其色之浅深，光芒之大小，悉与星象准”。这位“工写真，纸上有生气”的蒋煜从颜色、光芒、位置上逼真地再现了星象。然后，从赤道剖开，将木胎脱去，在内里装上经过精密计算制造的机械钟的零件，内用薄铜片作子口，以螺旋三面扭合。内装四柱铜夹板，以二铜杠悬架于球内。用大发条一鼓，中心用九十六齿塔轮，次接二轮，侧轮、尖齿轮、大圆摆。有了各种传动装置后，运用机械钟钥匙开动（旋紧发条）的方式，能走十日或半月。让我们看看蒋煜发明的浑天仪机械运作的周详细致而严谨的结构，“塔轮轴长四寸余，透于北极出地之处半寸许，用钥匙开动。夹板前塔轮轴上套一百八十齿大轮，大轮内用卡轮卡簧，开动时方能随旋。再以逆轮接赤道平分处三百六十齿大圈塔轮，每日走两周，则天球每日走一周。又以三百五十九齿一圈与逆轮并接，中以活管套于塔轮轴上，外用一圈环于球上，圈上安一太阳运行一周，则太阳自然不及天一度。积一岁则太阳迟一周天”。实即表示出恒星日与太阳日之差别。
显而易见，蒋煜的浑天仪与张衡创制的世界上最早利用水力的浑象（浑天仪）相比，似乎更有长处。张衡利用计时仪器漏壶滴出的水发动齿轮系统，带动浑天仪绕轴旋转，并使浑天仪的转动与地球的周日运动相等，而将天象准确地表示出来。惜乎张衡所制水运浑天仪的复杂传动系统制度没有流传下来。
清代科学家蒋煜思接古今，他所创制的浑天仪趋于微型，更为玲珑精致精密精巧，运转自如，观星测晷，了然心目，并能较精确地表示出恒星与太阳日之差别。蒋煜又于黄道上开一细槽，中束细铜丝圈，穿于太阳背面，使太阳依黄道（地球的公转轨道平面和天球相交的大圆）而行，冬夏分南陆北陆。还在球上两极处开小孔以套天轴。外用铜圈四足，架为地平。于南北设两弯条，约3寸许。两端有孔：一为北极出地之所；一为南极入地之所。其度数之差等可移动，以安两轴为旋转之机。准确地表现太阳与地球之间的运动关系。至于昼夜之分与二十四个节气都能显示，“地平上立十二呆线，为地盘十二宫，即十二时之分刻；黄道上写节气。太阳圈上安一小黑点，与太阳紧对，如暗虚然，日入则黑点升。如夜半时黑点在午宫，则知太阳在子宫；黑点在巳宫，则知太阳在亥宫；黑点在未宫，则知太阳在丑宫。余仿此，夜分即以此定时刻甚便”。
当时西方人制造的天球不能够“自运”，更不能定时刻，是远远落后于清代南通州蒋煜创造发明的多功能浑天仪的。

F. 浑天仪的科技成就

张衡制造的浑天仪是依据浑天原理而制成。其形状是个球形的东西，相当于现在的天球仪。浑天仪分做内外几层，每层都可以转动，中间有个铁轴贯穿球心，轴的方向就是地球自转的方向，轴和球体的接触有两个交点，即天球上的北极和南极。球的一半隐没在地平圈的下面，另一半显露在地平圈上面。在球的表面排列有二十八宿和其它恒星，球面上还有黄道圈和赤道圈，二者成24度夹角，分列有二十四节气。从冬至点起（古代以冬至作为一年的开始），把圆分成365�0�4度，每度又细分成四个小格。球体外面有两个圆圈，一个是地平圈，一个是子午圈，外圈圆周长为一丈四尺六寸一分。天轴支架在子午圈上，和地平斜交成36度，就是说北极高出地平36度。这是洛阳地区的北极仰角，也是洛阳地区的地理纬度。这架仪器的构造，几乎囊括了当时所有先进的天文学知识。

G. 漏水转浑天仪的介绍

漏水转浑天仪简称浑天仪，为东汉科学家张衡于公元117年设计并制造的一件天文仪器，属水运浑象，是有明确历史记载的世界上第一架用水力发动的天文仪器。仪器通过转动机械，把浑象和漏壶结合起来，以漏壶流水控制浑象，使它与天球同步转动，以显示星空的周日视运动。漏水转浑天仪还有一个附属机构即瑞轮冥菜，由传动装置和浑象相连，实现机械日历功能。中国现存最早的浑天仪制造于明朝，陈列在南京紫金山天文台。