張衡小時候的故事

遺憾的是關于張衡渾天儀中的動力和傳動裝置的具體情況史書沒有留下記載。

張衡寫的有關渾天儀的文章也只留存片斷。這片斷中也沒有提及動力和傳動裝置

問題。近幾十年來，人們曾運用現(xiàn)代機械科技知識對這個裝置作了一些探討。最

初，人們曾認為是由一個水輪帶動一組齒輪系統(tǒng)構(gòu)成。但因有記載明言渾天儀是

“以漏水轉(zhuǎn)之”，而又有記載明言這漏水又是流入一把承水壺中以計量時間的。因

此，就不能把這漏水再用來推動原動水輪。所以，原動水輪加齒輪傳動系統(tǒng)的方

案近年來受到了懷疑。最近有人提出了一種完全不同的設計。他們把漏壺中的浮

子用繩索繞過天球極軸，和一個平衡重錘相連。當漏壺受水時壺中水量增加，浮

子上升，繩索另一頭的平衡錘下降。這時繩索牽動天球極軸，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。此種結(jié)

構(gòu)比水輪帶動齒輪系的結(jié)構(gòu)較為合理。因為(i)張衡時代的齒輪構(gòu)造尚相當粗糙，

難以滿足張衡渾天儀的精度要求。(ii)這個齒輪系必含有相當數(shù)量的齒輪，而齒

輪越多，帶動齒輪旋轉(zhuǎn)的動力就必須越大。漏壺細小緩慢的水流量就越難以驅(qū)動

這個系統(tǒng)。(iii)更關鍵的是前面已提到的漏壺流水無法既推動儀器，又用于顯

示時刻。而浮子控制的繩索傳動就可避開上述三大困難。人們已就此設想做過小

型的模擬實驗。用一個直徑為6.5厘米，高3.5厘米的圓柱形浮子和一塊27克重的

平衡重錘，就可通過繩索帶動質(zhì)量為1040克的旋轉(zhuǎn)軸體作比較均勻的轉(zhuǎn)動。其不

均勻的躍動在一晝夜中不過數(shù)次，且躍動范圍多在2°以下，這種誤差在古代的

條件下是可以允許的。因此，看來浮子- 平衡重錘- 繩索系統(tǒng)比原動水輪- 齒輪

系統(tǒng)的合理性要大一些。不過，張衡的儀器是個直徑達1米以上的銅制大物。目

前的小型實驗尚不足以保證在張衡的儀器情況下也能成功，還有待更進一步的條

件極相近的模擬實驗才能作出更可信的結(jié)論。



不管張衡的動力和傳動系統(tǒng)的實情究竟如何，總之，他是用一個機械系統(tǒng)來

實現(xiàn)一種與自然界的天球旋轉(zhuǎn)相同步的機械運動。這種作法本身在中國是史無前

例的。由此開始，我們誕生了一個制造水運儀象的傳統(tǒng)，它力圖用機械運動來精

確地反映天球的周日轉(zhuǎn)動。而直到20世紀下半葉原子鐘發(fā)明和采用之前，一切機

械鐘表都是以地球自轉(zhuǎn)，亦即天球的周日轉(zhuǎn)動為基礎的。所以，中國的水運儀象

傳統(tǒng)乃是后世機械鐘表的肇始。誠然，在公元前4世紀到公元前1世紀的希臘化時

代，西方也出現(xiàn)過一種浮子升降鐘(anaphoric clock)，它的結(jié)構(gòu)和最近人們所

設想的浮子- 平衡錘- 繩索系統(tǒng)渾天儀相仿，不過其中所帶動的不是一架天球儀，

而是一塊平面星圖?？墒窃陔S后的羅馬時代和黑暗的中世紀，浮子升降鐘的傳統(tǒng)

完全中斷而消失。所以，中國的水運儀象傳統(tǒng)對后世機械鐘表的發(fā)展具有極其重

要的意義。而這個傳統(tǒng)的創(chuàng)始者張衡的功績自然也是不可磨滅的。



從當時人的描述來看，張衡渾天儀能和自然界的天球的轉(zhuǎn)動配合得絲絲入扣，

“皆如合符”，可見渾天儀的轉(zhuǎn)動速度的穩(wěn)定性相當高。而渾天儀是以刻漏的運

行為基礎的。由此可以知道，張衡的刻漏技術也很高明。



刻漏是我國古代最重要的計時儀器。目前傳世的三件西漢時代的刻漏，都是

所謂“泄水型沉箭式單漏”。這種刻漏只有一只圓柱形盛水容器。器底部伸出一

根小管，向外滴水。容器內(nèi)水面不斷降低。浮在水面的箭舟(即浮子)所托著的刻

箭也逐漸下降?？碳┻^容器蓋上的孔，向外伸出，從孔沿即可讀得時刻讀數(shù)。

這種刻漏的計時準確性主要決定于漏水滴出的速度是否均勻。而滴水速度則與管

口的水壓成正比變化。即隨著水的滴失，容器內(nèi)水面越來越降低，水的滴出速度

也會越來越慢。為了提高刻漏運行的均