中世纪阿拉伯计时装置

文、图 / 朱彦存

中世纪阿拉伯计时装置

文、图 / 朱彦存

中世纪阿拉伯计时之简单水力计时装置

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。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。

图1：广口瓶水钟外观图

图2：广口瓶水钟

图3：广口瓶水钟简图

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）。

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地从上节流到下节，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。相对于更为复杂的水力钟而言，广口瓶钟是全书最简单的机械计时器了，它没有像之前大象钟那样有大量的活动机构，也没有像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（图3）。

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。这种设计使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·加扎利设计的所有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，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。

中世纪阿拉伯计时之水力天文钟

前文介绍的最简单的水力计时装置——广口瓶水钟，这是相应的其他水钟或者计时装置中最简单的一个。

在之前的文章中曾经提到过这批计时装置出现的背景，现在文中再做一点补充，阿巴斯王朝，在中国国内的史料中被称为“黑衣大食”，而且，这一时期的阿拉伯帝国无论是经济实力，军事实力还是国土面积，都远远超过了其之前的王朝。因此，领地的扩张与经济的繁荣给王朝带来了大量的财富，同时，这也为科技，文化的飞跃做好了准备，更因为在公元10-11世纪的百年翻译运动中，阿拉伯帝国，阿巴斯王朝得到了大量的来自西亚、欧洲、希腊甚至是埃及的大量书稿与文化留存，在经过了一个世纪的百年翻译运动后，阿巴斯王朝的文化领导层中开始对其文化与经济自行革新，并在其国家发展至12世纪-13世纪初期时开始涌现出了包括艾尔·加扎利在内的大批新锐发明家和其成品。

而在本文中出现的这一台水力天文钟，是相对成熟的拥有大量机械联动和报时机构的天文钟。这样的带有天文演示的水力计时装置，在全书中只找到一台，而与其有相似的报时机构的水力钟还有一台。并且这与“广口瓶水钟”相比要复杂得多，并且与第一篇提到的“大象水钟”也有着不一样的动力结构。

这一台水力天文中，使用的同样是重力、浮力原理来使钟运作，其在设置时就是一面单边的墙，或者叫城墙，在城墙的正面，下方有一排乐师，其由两名号手（笛手），左右一边各有一名手鼓师，中间的双锤鼓手和两个钹者组成，它们是每到6时开始进行演奏以表示6时的报时，并且在6时，即计时过程经过一半后的每三个小时会演奏一次直到12时。因为有这样的独特的计时习惯而不是每一个小时都加入演奏，学者在后期的研究中发现这是要在日出和之后的时间做出分界而使用的，有学者认为这可能与伊斯兰教的礼拜习惯有关，因此推测这台钟可能是用于置于空旷处并特定时间提醒穆斯林信徒们按时礼拜的特殊的计时装置，因此，这台水力天文钟也会被称为“唤礼钟”。

在乐师的两边分列有两根支柱，在支柱的上面分别架有一个突出的台子，台子上是一只敞口圆腹的瓶子，瓶中有一只铜铙并且在瓶底有通道，在瓶子的上方的墙壁中分别有一个凹入墙壁的龛，并且在龛中有一只立着的猎鹰，每过一个小时，两边的猎鹰会同时将身体探出龛中，并且从其口中落出两颗铜球，落入龛前面下方的瓶子中，铜球落在瓶中的铜铙上发出声响来报时；在龛的上方有一个长排的长条，其被分为12个小窗，并在每一个小窗上面还有一个空口，有一个新月在最左边用于指示时间；在整个水钟的最顶端有一个大圆盘，圆盘上有太阳，月亮的运行轨迹和黄道十二宫的运行指示；在乐师的中间有一个半圆，其被分成12个小圆，每一个圆上都嵌有一块玻璃，通过看玻璃的明暗来判断太阳在一天中的运行位置（图4）。

在钟的背面，右边有一根与墙几乎一样高的管型水箱，其在制作时分成4节，并在安装时逐节安装上去，水箱中的水可以支持整个水钟运作一昼夜，并且在其顶端有一个铜制的中空浮筒，其在水箱中可以漂浮，浮筒上连接有绳索，绳子通过滑轮连接到一个大的绕线轮上，与此轮同轴的另一个轮上也绕有绳索，用于牵引其上方的时间指示机构和报时机构，第二个轮上的绳索与轮上方的滑车相连，并且第二个轮子在制作时被去除了一半的面积，用于与前方的12个玻璃圆片对应指示昼夜情况；小滑车前面伸出一根半月的形状，用于在正面指示时间；其在滑车上还有一根立柱，用于在指示时间的同时进行报时，在滑车的另一边也有一个配重以用于平衡。在滑车的上方的12个分区中都分别一上一下分成两个层次：上层是一个由两扇小门组成的门框，门框的上面挂有一块有人像的木板，并且板是被一个小钉子挂在上面的，可以轻轻一推就从钉子上滑落；在板上有一根绳子连接到上方。此处插入一个介绍：在刚才提及的的12个分区的上方有一个由一整块木头制成的特制木槽，其被刻上了24个独立的斜槽，并且每一个斜槽的最前端还有一个洞，那些斜槽两两排列，两个一组，共有12组；每一个斜槽中都会有一个铜球，用于最后从猎鹰口中掉出报时；并且在每一组斜槽的前端都会装有一个挡片，并且挡片的轴都装在同一边，在每一个挡片后都会伸出一根小棒，其末端有绳索与每一个其正下方的之前提及的人像板相连，用于释放铜球。并且，在装铜球的木槽与下方的12分区之间还有一个并列的两端高，中间低的木槽用以接住从上方释放出的铜球；在中间的孔下有两个分享两边的猎鹰的铜管（图5）。猎鹰用青铜铸成，并且做得尽可能的轻，其头背后有一个孔与刚才的铜管相连接，其口中有一节三通管，用于使其向前倾，与此同时猎鹰的脚上还有配种砝码，可以使其在前倾并吐出铜球后被拉回（图6）。回到12分区的结构中来：每个人像都被挂在高处，并且可以被滑车上的立杆推下，在人像牌上连接有绳索与上方的挡片相连，用以释放报时的铜球；每一个人像牌下方都有一个装有两扇门板的门框，门板是关闭的，并且，在每一个门框下方有一个小窗口，其上有一个翻板，上面的两面用不同的颜色标明了所代表的时刻。翻板用一个小机关固定住，并在时间到时翻下，变换板上的颜色。在第6、9、12时的人像牌上还挂有一个额外的配重物，用以对之后的机关进行触发。

图4：水力天文钟

图5：水力钟背面图

图6：猎鹰构造

图7：分隔水箱与其控制系统

现在把目光下移，在柱状水箱的底端有一只水阀，形状与结构与当代的水龙头相似，在水阀的前面有一个节流阀，这是控制水流以调整整台水钟的运行速度的，其结构会在下文中详细介绍。在节流阀下方有一个圆形带边的水盘，水盘的下面有一根轴，使得整个水盘可以围绕轴来转动。在水盘的前方装有一根导管，在导管的前面，有一个双头的分头，以把水分向引导；在水管分头的下面还有一个隔成三个分区的水箱，在水箱的底部有一个长扁的水槽，每一个水箱中流出的水都会流到下面的水槽中，在水槽边上还有一根导管，可以把水引向下一段。在三个分隔的水箱的底部都有一只锥状的水塞，每一个水塞上都有一根导线，而每一根导线都会穿过一个相应的导轮，连接到之前提及的挂在6时，9时和12时的人像牌后面挂的配重砝码上，并且每一根导线都穿过了导管上的固定的环中，这样一来，当第6时的配种砝码与人像牌一同落下时，它会将线扯紧，提起水箱中的水塞，同时，在导线被扯紧时，导线会将水管转到第二个水箱中，并开始对第二个水箱进行蓄水。每一个水箱在三小时中都会蓄满等量的水，并且在第9时时，第9时的人像牌上的配重砝码与人像牌同时落下，扯紧导线，拉起水塞，并将导管转向最后的一个分隔的水箱中；在此要重点提到的是：在最后一个水箱中，其水塞上的导线并没有连接到导管上，而是直接将导线连接到第12时的人像牌上的配重砝码上，因此，当最后一个配重砝码被推下时，双头导管并不会转动，而是水塞直接被拉起，将最后一个水箱中的水放入到下方的水槽中（图7）。

当水从下方的水槽中沿导管流出后，会流到一只装在一根长轴的水轮上，并且在长轴上还装有数根销钉，在水推动水轮转动时长轴也会转动，并且其销钉在转动中会拨动前面伸出的连杆，连杆被拨动时会带动前面的乐师击鼓击手鼓和击钹，以此来发出声响报时。在水轮下方还有一只水槽，当水从水轮上流下后，会汇入水槽中，沿水槽上的导管流入到一只密封箱中，在密封箱的上板处装有一只导管，在导管的末端有一只气哨，置于前方的号手（笛手）的旁边；并且在密封箱的下板上还装有一只U形的虹吸管，用于在水装满时将水全部排出。因此，当水从水轮的下方的水槽中流入到密封箱中时，空气也会被压入上方的导管中，当空气冲击气哨时会发出声响。当水漫过虹吸管的U型弯后，会被全部从密封箱中抽出，水从密封箱中抽出后流到密封箱下方的水箱中，以供下次再进行换装（图8）。

图8：水轮、乐师和笛手的运动构造

在全部的计时过程中来看，当计时开始时，柱状水箱中的水会装满并开始定量放出，随着水箱中水位的下降，水面上的铜制中空的浮筒开始下降，并通过其上连接的绳索带动第一个绕线轮转动，而与之同轴的另一只绕线轮也会同时转动，拉动轮子上的绳索牵引放置在其上面的滑车，滑车向前运动时，其上连接的半月形指示针也随车向前，同车连带的立柱也在第一个小时时推下第一块人像牌，人像牌落下时，一方面将其下方的门板撞开，并且顶开卡锁机关，将翻板放下，翻版变换颜色；另一方面，在人像下落时拉动了上方的挡片，挡片打开，释放了木槽中的两颗铜球，铜球通过木槽和其下方的管道进入到两边的猎鹰的头内，猎鹰的头部重心发生改变，使得两只猎鹰同时向前倾，铜球其嘴中落入到其下方的瓶中，铜球落在瓶中的铜铙上发出声响，以此来报时。在之前计时的5个小时中，这台水钟都是以这样的方式进行报时的，在第6个小时及其以后，下方的前台上的乐师才会加入到报时的行列中来，即在6时之前，节流阀前方的水盘通过导管将水蓄入第一个分隔的水箱中，并在第6时时，第一个水箱中的水已经将近蓄满，并且第6时时，水才会被放出，推动水轮带动前方的乐师进行奏乐，并且在6时后的每三个小时，即9时、12时的时刻中，除了猎鹰可以报时外，乐师都会在猎鹰吐落铜球后开始奏乐来报时，相对应的结构已经在前面的文中提及。

在此处要提一个关于钟的上方的天文，日、月的轨道运行（图9）。在刚开始研究这类水钟时，我本以为上方的天象系统是与下方的报时机构向连接的（或者说希望这样）；但是，再往后的包括在天文指示盘的研究当中，我发现这台钟上的天文演示盘实际上是由人工来使其运转的，而且，其在天文指示盘的基本构造实际上是一块带有日月的运行轨道和黄道十二宫图案的圆形木板，其轴连接到后方，并在其上有另一个标记孔的圆盘，而当一昼夜完成后，负责专门看管这台水钟的人把其中太阳与月亮的位置作变动，将一切的物件归位，并且把水放回柱状水箱中，这样的有相对人工回位与人工调整的操作对于现在而言当然不可以用自动化的钟表分类将其归类，但是在11—13世纪的阿拉伯帝国，乃至放眼全世界，甚至是欧洲，与其理念和运行水平相近的同时代器械是几乎没有的。因此，将其放在当时的历史背景与历史环境中而言，这样的水钟已经是相当先进且相当成功的了！

除了介绍这台钟的基本日常运作的流程和其结构之后，要重点提及的是在出水口前方设置的全钟的运行的核心的控制机构——节流阀（图10），需要特别在文中提出来讲的，是因为这一结构十分巧妙的将钟的运行进行了控制，使得钟在一年内中根据太阳的日出日落的时间的改变来调整其运转速度，并且精确地控制了每一天的日出，日落的时间，这使得钟上所指示的日出、日落的时间与太阳世纪的日出、日落时间一致。例如：在夏至日时（6月22日）太阳的日出时间最早，日落时间最晚，故白昼所占的时间最长；夜晚所占的时间最短。在夏至日后，日出时间逐渐推后，日落时间逐渐提前，故在白昼所占时间缩短。黑夜所占的时间加长；一直到冬至日（12月22日）时，日出时间最晚，日落时间最早，故白昼所占时间最短，而黑夜所占的时间最长；在春分日（3月21日）和秋分日（9月23日）时，日出，日落时间相持平且昼夜所占时间相等，即昼夜平分。要在昼夜时间和日出日落的时间中调整整座钟的运行速度：艾尔·加扎利在他的设计中加入了节流阀的调节机构，这使得每天的水的排出速度都不一样，以此来对钟的运行速度进行控制，并且使其所指示的时间与当日的日出，日落的时间相对应。

图10：节流阀

要达到上文所提到的效果，艾尔·加扎利使用的是活动式的节流设计。其节流阀是由4个基本部分构成，其后方有一个环，在环中有一个可以转动的盘，在盘上有12个大的分区，每一个大的分区中又分成6个小分区，而在每一个小分区中还被分为5格，每一个分区都被这样划分，因此，在盘上一共有360个小分格，每过一天要人工转动一格，在其中心处有一根插管，其管直通到前面，并且在管上有一根铜的外管，外管前有一个环，在盘前面还有一个带半圆的外壳。在转动底盘时，水量会随之相对的递减，并且在对其进行准确的校准后，每一天的水量和水流速度都会与当天的日出、日落的时间相对应。最终，在完成后，这样的装置在全部的钟当中起到了非常重要的作用，因为这台钟已经不再是单纯的计时钟，而是变成了一台可以调节其运行速度和运行周期的，并且根据太阳的运行来实施运行，这就将这台钟升华成了唯一一台通过调整其运行速度来完成其周期你循环变化运行的天文钟性质的计时装置。

到现在来看，虽然与之前的出现的中国宋代水运仪象台（公元1088年）和后期出现的欧洲大型机械钟与钟楼，钟塔（公元13世纪——15世纪）相比，这台天文钟仍然需要有多人专门看管，并且还要在相对的周期中对整个计时装置进行重置，这些动作尚不可以通过机械的运行进行重置循环，但将其放在当时的时代背景和时代环境中来看，在全世界的范围内，对钟或计时装置的研究除了阿拉伯以外都相对处于停滞，甚至是退步的状态，纵观全世界的文明聚集地，正如我们之前提到过的：中国中原地区，水运仪象台几乎被毁，并且仍然处于与北方少数民族政权和蒙古人的战乱中，完全无法抽身于钟表的研究；而在西方的欧洲，正是中世纪的黑暗与科技发展最缓慢的时期，从此来看，相对文明发达的阿拉伯地区的这类水力天文钟拥有其相对的特色和独创性，从这样的观点来看，对于其在运行中需要有大量人工作为维护，也是可以理解的，因为在当时的阿拉伯文化氛围中，是可以接受这种人工在一台水力计时装置中的运行中占有相对多一点的比例的。因此，在这台钟的研究中，也可以理解刚才提到的情况，也可以将其理解为当时的计时装置的一个特点。

以上就是对于水力天文钟（唤礼钟）的全部结构与功能的介绍，总体来说，这台钟的结构相对于之前的广口瓶水钟来说已经有了十分长足的升华和发展，虽然基本的原理都相似，但是这台钟的报时与调速机构其实是在广口瓶水钟的基础上的技术革新。而这类水钟与大象水钟相比有时对于新型驱动结构的探索与研发，推出了新的驱动结构，并且将计时的天文与准确性提升到了新的层次。这也是在艾尔·加扎利的《精巧机械的制造知识》一书中的唯一一台带有天文演示的计时机械。以此文作尽可能详尽的介绍，并向各位同道中人撰文分享。