发明漏刻的计时方法

漏刻计时法，即把昼夜分成均衡的100刻。其产生与漏刻的使用有关。可能起源于商代。有了漏刻，人类的计时开始摆脱依赖天象，开创了人类制造计时器的新纪元。

汉代时曾把它改造为120刻，南朝梁时期改为96刻、108刻。漏刻计时几经反复，直至明末欧洲天文学知识传入才又提出96刻制的改革，清代初期定为正式的制度。

燕肃是北宋时期科学家，一生有很多成就，人们称他为“巧思的人”。他造的莲花漏，在当时的很多州使用。

燕肃精通天文历法，他深感当时计算时间的仪器不够准确，而且结构复杂，使用起来也不方便，亟待制作新的刻漏，于是他决心发明一种新的计时器。他经过反复研究，终于制造出新的计时工具莲花刻漏。

莲花刻漏较旧刻漏有很大改进，它由上、下两个水池盛水，上池漏于下池，再由铜鸟均匀地注入石壶。石壶上有莲叶盖，一支箭首刻着莲花的浮箭，插入莲叶盖中心。

箭为木制，由于水的浮力，便能穿过莲心沿直径上升，箭上有刻度，从刻度就可以看出是什么时刻和什么节气了。

根据全年每日昼夜的长短微有差异，又把二十四节气制成长短刻度不同的48支浮箭，每一个节气昼夜各更换一支。这种刻漏制作简单，计时准确，设计精巧，便于推广。

经过试验之后，宋仁宗于1036年将其颁行全国使用。

莲花漏颁行后，受到各方面的称赞。朝官夏竦称其“秒忽无差”，全国各地“皆立石载其法”，著名的大文学家苏轼也对此大加赞赏。

燕肃每到一处，就把莲花漏的制造方法以碑刻的形式进行介绍、传播，并制成样品加以推广。这种热心传播科学技术的精神，值得钦佩。

其实在此之前，我国使用漏刻计时器已经好长时间了，可以说具有悠久的历史。我们通常所说的时刻中的“刻”用来表示时间，就涉及我国古代滴水计时的文化史实。

在机械钟表传入我国之前，漏刻是我国使用最普遍的一种计时器。简单地说，漏刻计时的原理是通过水慢慢地从小孔漏出，利用容器内水面的升降来计算时间。

漏刻是我国的一种古老的计时器。“漏”是指计时用的漏壶，“刻”是指划分一天的时间计量单位，漏壶计时一昼夜共100刻，“刻”就是在这种文化事实中具备了表现时间的职能的。

漏刻在我国起源很早。南北朝时期有本书叫《漏刻经》，上面说，漏刻起源于黄帝时代，夏商时期得到了很大的发展。《隋书·天文志》一书也认为，漏刻是黄帝观察到容器漏水，从中受到启发而发明的。

早在新石器时期，人们就已经能够制作陶器，陶器在使用中难免会出现残漏，导致水的流失。水的流失需要时间，这种现象给人以启发，用水量变化来表示时间的流逝，由此就逐渐导致了漏刻的产生。

进入周代以后，漏刻的地位进一步提高，朝廷中设有专门负责漏壶计时的官吏，称为“挈壶氏”。以后历代都有专门管理漏刻的机构和人员，制度越来越完善。

历代漏刻计时所使用的百刻制，据推测最早就是商代制订的，所以古人有时候又把“刻”称为“商”，这是商代漏刻得到发展的有力证据。

最初的漏壶是单只的，壶的底部开一小口，壶中放一支刻有刻度的木杆，观察水位退到哪一刻度，就能知道是什么时间了。由于早期漏壶的使用大多与军事有关，所以这种木杆被称为“箭杆”，这种方法称为“淹箭法”。

还有一种方法，就是将箭插在箭舟上，箭杆上刻有时间线，当壶中水满时，箭杆靠木块的浮力升得很高，随着水的流失，箭舟往下沉，箭杆也随之下降，通过观察刻度线，就可以读出什么时间了。这种方法又称为“沉箭法”。

沉箭漏壶的计时精度比淹箭漏壶稍高，但也不够准确，原因在于水的流速与壶中水位高低有关，水位高时，水的流速就快，随着水的流出，壶内水位也就逐渐下降，水的流速也就慢了下来，因此木箭下降的速度是不均匀的，即沉箭漏壶在使用过程中其计时精度会越来越低。

为了提高漏壶的计时精度，聪明的古人又发现了新的计时方法浮箭法。

最早的浮箭漏壶是单级的，它是由两只漏壶组成，一只是供水壶；另一只是受水壶，受水壶中放箭尺，通常称为箭壶。

由于泄水壶的水不断地注入箭壶，木箭上的时刻标记就不断地从壶中显露出来，人们就可以知道当时的时刻了，这就是单级浮箭壶。

单级浮箭漏只有一只泄水壶，由于人工往供水壶里加水有一定的时间间隔，加水前后水位有一定的变化，导致流往箭壶的水流量不稳定，因而计时误差相对较大。

要解决这一问题，可以把木箭上的时刻标志做成不均匀的，但这又需要有其他高精度计时仪器的校验，当时要做到这一点，并不容易。

另一种方法，是不断给泄水壶添水，使其水位能大致保持在某一高度，以此减少其排水速度的变化。

经过多年实践，人们在泄水壶和受水壶之间再加一只补偿壶，使补偿壶在向受水壶供水的同时，又不断得到泄水壶流进来的水的补充，从而使补偿壶的水位保持相对稳定，这就是二级补偿浮箭漏壶。

东汉时期著名科学家张衡曾经这样描写当时二级漏壶的使用情况：

漏壶用铜制成，有两个泄水壶，它们分别在底部开口，第一个泄水壶流出来的水流入第二个泄水壶，第二个泄水壶再排给受水壶。

由于昼夜长短不一，可以让受水壶也有两套，分别在白昼和黑夜使用。

由此可知，二级漏壶至迟在东汉时期就已经发明了。

二级漏壶可以大幅度提高漏刻计时精度，于是就出现了有3只泄水壶连用的漏刻。

晋代名士孙绰在一篇文章中最早记载了三级漏壶的存在：“累筒三阶，积水成渊，器满则盈，承虚赴下。”所谓“累筒三阶”，就是指的3只连用的圆形泄水壶。

至唐代，著名学者吕才又将连用的泄水壶数增加至4只，从而导致了4级漏壶的诞生。宋代经学家杨甲的《六经图》，也记载了吕才漏壶。

古人为了提高计量精度，除了增加漏壶的级数外，还有一项重要的改进，那就是分水壶的发明。

第一个使用分水壶的人，就是上面提到的宋代科学家燕肃。分水壶的出现，从根本上解决了漏壶的水面稳定性问题。

我国古代还出现过一些与漏刻结构原理类似的计时工具，有用水银的，有用沙子的，还有用半机械的。

元末明初的詹希元制造了一种机械计时仪器五轮沙漏钟，又称为“轮钟”。

五轮沙漏钟名字中虽然有“沙漏”两字，但它并不是以流沙的多少来计时，而是以沙作为动力来带动齿轮系统工作，是一种真正的机械钟。

五轮沙漏钟的工作原理是流沙从漏斗形的沙池流至初轮边上的沙斗里，驱动初轮，从而带动各级机械齿轮旋转。最后一级齿轮带动在水平面上旋转的中轮，中轮的轴心上有一根指针，指针则在一个有刻线的仪器圆盘上转动，以此显示时刻。

詹希元巧妙地在中轮上添加了一组机械传动装置，这些机械装置能使五轮沙漏上的两个小木人每到整时能够转出来击鼓报时。

五轮沙漏钟以沙代水，克服了冬季水易冰冻的缺点，可以不受地域限制。其初轮、二轮、三轮、四轮以及小齿轮等一套减速轮系，可以克服沙流速过快的缺点。

可惜的是，詹希元生不逢时，这样先进的计时器问世仅有几年，由于元明代交替之际的政局动荡而没能推广开来。

五轮沙漏钟脱离了天文仪器的辅助，是我国早期机械钟的代表。

不管是燕肃的莲花漏，还是詹希元的五轮沙漏钟，以及其他一些计时工具的发明，都是我国漏刻计时发展史上的重大革新。但我国历史上使用时间最长、应用最广的计时装置还是漏刻。

现陈列在北京故宫博物院交泰殿中的铜壶滴漏，是1745年制造的，这是我国保存至今仍然完好的漏壶。

铜壶滴漏的漏壶全都用精铜制造，每个漏水的小管子都雕刻成龙头形状，水从龙口流出，最上层的漏壶置于楼阁形建筑的上层，旁边有楼梯可以上下，楼阁建筑与宫殿结构相同。做工雕刻极为精细，平水壶面镌有乾隆皇帝的御制铭文。

漏刻的出现，使人们不需要频繁观测天文就可以随时知道当时的时刻。它使我国古代计时减少了对自然条件的依赖，是古人在探索时间计量方式上的一大进步。

[旁注]

燕肃　（991年～1040），青州人，就是现在的山东益都。北宋画家、科学家。官至龙图阁直学士，人称“燕龙图”。学识渊博，精通天文物理，有指南车、记里鼓、莲花漏等仪器的创造发明，著有《海潮论》，绘制《海潮图》以说明潮汐原理。工诗善画，以诗入画，意境高超，为文人画的先驱者。

苏轼　（1037年～1101年），号东坡居士。眉州眉山人，即四川省眉山市。北宋时期文豪，宋词“豪放派”代表。追谥“文忠”。他在文学艺术方面堪称全才。词开豪放一派，对后世有巨大影响。代表词作有《念奴娇·赤壁怀古》和《水调歌头·丙辰中秋》等，传诵甚广。

挈壶氏　官名。《周礼》说挈壶氏设下士六人及史两人，徒12人。有军事行动时，掌悬挂两壶、辔、畚4物。两壶一为水壶，悬水壶以示水井位置；一为滴水计时的漏，命名击柝之人能按时更换。悬辔以示宿营之所。悬畚以示取粮之地。

张衡　（78年～139年）。生于东汉时期南阳西鄂，即今河南省南阳市石桥镇。东汉时期伟大的天文学家、发明家、制图学家、数学家、地理学家、文学家、学者。他为我国天文学、机械技术、地震学的发展作出了不可磨灭的贡献。后世称张衡为“科圣”。

詹希元　又名詹希原，安徽歙县人。明代官员，为官清廉，作风正派，深受百姓爱戴。他多才多艺，工书法，为初“台阁体”先导；创制五轮沙漏，以齿轮、时刻盘合成，五轮沙漏钟是我国早期机械钟的代表。

铭文　铜器研究中的术语。本指古人在青铜礼器上加铸铭文，大多铸成或刻成，以记铸造该器的缘由、所纪念或祭祀的人物等，后来就泛指在各类器物上特意留下的记录该器物制作的时间、地点、工匠姓名、作坊名称等的文字。

[阅读链接]

“钟”是历史悠久的计时工具。“钟”和“鼎”在我国古代被视为传国重器，其上所铸文字，被称之为“钟鼎文”。“钟”还被佛寺悬挂起来用作报时。如唐代诗人张继《枫桥夜泊》：“姑苏城外寒山寺，夜半钟声到客船。”所谓“夜半钟声”就是半夜的报时钟声。大概是钟有了报时的作用，而后将“钟”字用作计时器的名称。