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中世纪阿拉伯计时装置一简单水力计时装置-(XINWEN)

发布时间:2021-10-09 18:06:06 阅读: 来源:花生厂家

12—13世纪的阿拉伯帝国由于完成了国家的扩张与发展,帝国的财力,人力与物力都处在有一个很高的水平,并且经过了阿拔斯王朝前期的百年翻译运动之后,阿拉伯的文化积累在整个中亚,甚至是在全世界都是出于顶峰状态的。在经济文化等多重方面的推动中,阿拉伯在11世纪初期涌现出了一大批当时世界上相对最顶尖的科学家,其中就包括阿拉伯帝国新锐发明家中的一员:艾尔·加扎利。

从当时的发展状况来看,阿拉伯的文化环境可以说是当时世界上最优越的,因为相比较当时全世界的形式:中原文明时属南宋,经过长年的战乱,国力已经明显不如北宋,而且其大部分精力都要放在抵御北方少数民族的入侵,无力且无心再在进行更深入的文化建设;而同时期的欧洲还处在中世纪的欧洲还处在中世纪的宗教黑暗的统治时期,那时欧洲教廷实际掌握了对文化的控制权,因此中世纪的欧洲在科技文化方面基本是处于停滞的状态,因此,纵观当时的整个世界,阿拉伯确实可以称为其当时的世界文化中心。

由于经过了长时间的文化熏陶和阿拉伯帝国哈里发(国王)的大力支持下,艾尔·加扎利开始着手为帝国研制各类机械装置,以推动生产力的发展。而他大部分的发明都收录到他自己撰写的机械学名著《精巧机械的制造知识》一书中。而在其众多划时代的发明中,计时装置成为独特的一大门类在全书中占了大部分的篇幅。而且其独特的设计思路与提供的理念也使得艾尔·加扎利设计的众多的计时装置在世界钟表(计时器)发展史中占有相当重要的地位。并且在艾尔·加扎利设计的众多计时装置中,以驱动材料而言大体可以分为两大类:水钟和蜡烛钟,而水利驱动的计时装置又可以大致分为 单纯的计时水钟,唤礼水钟,娱乐性质或者侍者形计时装置和定时喷泉类,它们都在书中占有一定的篇幅,如果有机会的画会在后续的文章中陆续介绍。在之前的文章中提到过水力计时器的经典之作——大象水钟就因为别具一格的设计理念而使其成为了阿拉伯水力计时器中的代表作。

在本篇中,先向大家介绍其中结构最简单的一种,由于其在所有的计时装置当中是相对比较简单的, 因此作为现行介绍的对象在本篇中来对大家作介绍。因为这种水钟的整体构造看起来像一个广口瓶,故在书中称其为广口瓶水钟(图1)。水钟的主体类似一个倒置的台体,大端向上,小端向下,且小端安装在一个直径与大端相近的圆柱上,上下两节之间是封住的,只留有一个小孔来使水恒定的从上节流至下节水箱,经过校准后,上节的容积与下节水箱的容积一致,虽然在外表看起来两节的形状有较大的差异,但是在实际的中它可以保证水钟的恒定运行。在水钟的上节的顶端中心处有一个高出的圆台,圆台上装有一个盘坐的人像,其形象为阿拉伯文化中的书写员,手中持有一只长笔,相当于水钟的指针;而在人像下方周围有一个环形的刻度环,其高度与人像下的高度相近,安装在上端的边缘,书写员手中的长笔刚好可以指示环上的刻度以读取时间(图2)。

图 1广口瓶水钟外观图

图 2广口瓶水钟

在水钟的内部,在上下两节的接合处有一个小台,其上装有一根长轴,长轴通到其顶端,与上方的书写员相连,这样,书写员就可以自由旋转,在长轴接近顶端的地方装有一个绕线轴,轴上绕两圈绳索,绳索的一边加上一个配重砝码,另一边连接一个铜制的浮筒浮筒为中空设计,并在上面焊接上了一根管子,这使得浮筒可以在轴上灵活升降而不影响轴的运转。在钟运行时,先在上节中装满水,浮筒因为浮力上升,配重则因为重力下降,中间绕过线轴的绳索拉动绕线轴旋转,从而带动顶层的书写员转动回归原位。在水装满后,水钟就进入了运行状态:水开始从上下节之间的小孔中恒定从上节流到下节,因此浮筒会跟随水面随着时间流逝而恒定下降,从而拉动线轴,带动书写员转动,书写员手中的长笔就可以在外围的刻度环上指示时间了。根据书中的记录,书写员在一天中旋转一圈,在上节的水都流入到下节后停止,这就需要人工将下节的水引出,倒回上节中,继续计时。

在计时器的发展过程中,普遍把水钟分为了两种:泄水形水钟和受水形水钟。泄水形水钟是指在容器中钻一个孔使水缓慢恒定的流出,然后在在容器内壁上刻上刻度,在水流出的时候水位的变化来指示时间;受水形水钟则是在泄水形水钟的基础上加上一个承接容器,并在承接容器内壁上刻上刻度,在水位上升时就可以观察时间。这两种水钟在公元前的各大文明中就出现过,而艾尔·加扎利在泄水钟的基础上加以各种改进,使得单纯的泄水钟的水流更加恒定,计时更加准确,并且在泄水的同时加上浮筒,使得浮筒的重力通过绳索等带动一系列的机件运转,达到更为复杂的计时和报时的功能,这些以后有机会的话会一一介绍。相对于更为复杂的水力钟而言,广口瓶钟是全书当中最简单的机械计时器了,它没有像之前大象钟那样的大量的活动机构,也没有像后面会介绍的其他的水钟或蜡烛钟那样复杂的机构,但是它可以作为我们认识,了解阿拉伯机械计时器的一个很好的突破口,以便于后期的更好的了解(图3)。

图 3广口瓶水钟简图

然而,在其简单的结构中,对于时间的指示却有一个值得一提的细节:由于广口瓶水钟的水流在每一天都是相对恒定的,因此书写员的旋转速度在一天中也是相对恒定的。但是根据当时天文学家积累下来的经验,艾尔·加扎利发现在在实际的情况下,每一天的昼夜长短并不一样,因此对于刻度环上的日出日落时间的标注就要进行更改,如果没有进行更改的话,必定会出现差错,从而影响到一天的作息。因此,艾尔·加扎利根据前人的积累,设计了不同小时的时长的刻度环,通过更换刻度环来完成每一天的时长指示。因为地球在太阳系中,赤道与地球的公转轨道(黄道)有一个约为23.5度的夹角(黄赤交角),使得事实上每一天中昼夜时长是不一样的,在这里就可以表示为日出与日落的时间不同。在中国就以24节气来进行表示:夏至时(6月22日)白昼时间最长,夜晚的时间最短;而冬至时(12月22日)白昼时间最短,夜晚时间最长。因为地球平均24小时自转一周,所以在艾尔·加扎利的设计中,他将每一天的时间都做了相对的缩短,以顺应每天不同的昼夜变化。这中设计使得广口瓶水钟的计时精度与后期的广度得到了提升,并且还将它的计时能力做了一个有效的提升!这样的设计还存在于艾尔·加扎利所设计的其他水钟当中,并且艾尔·加扎利还用到其他更加天才的方法来解决昼夜时长变化的问题,这也会在后期的介绍中提及。

本次介绍的广口瓶水钟应该是在艾尔·加扎利设计的的所有继续计时装置中结构最简单的,但是它简单的结构中蕴含着设计者简洁,独立,严谨的设计理念,并且,这台简单的水钟可以说包含了《精巧机械的制造知识》一书中对水力计时装置的最基本设计思路,后面会介绍的其他水钟的设计理念都没有脱离广口瓶水钟的基本设计思路,在水面上加装浮筒并通过绳索联动一系列的机构来进行计时的理念的最基础,最简单易懂的设计思路与制作就体现在广口瓶水钟上。以广口瓶水钟为基础,我们才可以更好的理解阿拉伯水钟在设计上的一大基本理念和思路,也才能更好的帮助我们继续更深层次的理解阿拉伯水力计时装置的精髓。

感谢大家的阅读,更多的关于阿拉伯机械计时装置的介绍会在后期陆续奉上。

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