水運儀像台詳細資料
從水輪秤漏裝置談古中國機械鐘
林聰益，南台科技大學機械系
「滴答」聲動北京城
時間剛剛進入十七世紀，明神宗想到洋人進貢的奏摺，屢次追詢並下旨令送禮者進京。義大利耶穌會教士利瑪竇（Matteo Ricci）一行人終於萬曆二十八年十二月二十一日（公元1601年1月24日）到達北京。在他們獻給萬曆皇帝的禮品中有兩件自鳴鐘深獲皇帝喜歡。一件是華麗高大並有個重錘的機械鐘，有報時功能，後置於宮園內，供皇室成員賞用。另一件是較小的機械鐘，萬曆帝留在身邊自用，其外殼為一雕龍描金的木框，鐘面改用中國的12時辰名稱，用一個鷹嘴狀的指針來顯示時間，內有發條與銅製齒輪機構，並在每一刻鐘報時一次。從此，這滴答聲牽動著宮廷生活的節奏與規律，也打開了中西交流的大門。
利瑪竇記載當時他們的反應：「自鳴鐘呈現在眾人眼前時，朝廷官員敬畏地看著新奇的機械，此鐘把所有中國人驚得目瞪口呆」，「那是中國歷史上從未有人看過、聽過、或想像過的東西」。但利瑪竇錯了，這也影響到西方對機械鐘歷史的誤解。
最古早機械鐘擒縱調速器—水輪秤漏裝置
在計時器的發展過程中，人類試圖用各種週期性運動現象作為量測時間的標準，並以各式各樣的器件，如圭表、日晷、刻漏、機械鐘、以及原子鐘等來保持時間。其中，機械鐘的發展在計時器史或機械史中，佔有極重要的地位，而擒縱調速器是機械鐘的關鍵組件，這種「將重力或任何其它動力驅動的連續運動，分割成均勻之時段，從而獲得穩定持續的運動」的機械裝置，在西方被視為歐洲文藝復興時期最偉大的發明之一。然而根據文獻的考證，最早之擒縱調速器的發明是在古中國；其中，以北宋蘇頌於公元1088年所造的水運儀象台（圖一）為代表。
在蘇頌所撰的《新儀象法要》中，對其構造與零件尺寸有詳盡的記載，並有圖示，明白地說明定時秤漏裝置(Time steelyard-clepsydra device)與水輪槓桿擒縱機構(Waterwheel lever escapement)如何相互配合做到等時性與間歇性的計時作用，使這種水輪秤漏裝置模式的擒縱調速器得以流傳。
圖一 蘇頌水運儀象台《新儀象法要》
水運儀象台之「水輪秤漏裝置」（圖二）是古中國擒縱調速器獨有的特性，也是水力驅動式機械鐘之擒縱調速器的完美設計。它是由定時秤漏裝置 (即一振盪裝置)與水輪槓桿擒縱機構 (即一擒縱機構)所組成。定時秤漏裝置是具有等時週期運動的產生裝置，由天池壺、平水壺、受水壺（有36個或言48個）、樞衡、樞權、以及格叉組成。水輪槓桿擒縱機構則是運動的控制機構，由樞輪、左右天鎖、天關、天衡、天權、天條、以及關舌組成。
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01 |
左天鎖(Left upper lock) |
09 |
關舌(Upper stopping tongue) |
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02 |
天關(Upper stopping device) |
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退水壺(Water-withdrawing tank) |
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03 |
右天鎖(Right upper lock) |
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樞輪(Driving wheel) |
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04 |
天衡(Upper balancing lever) |
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受水壺(Water-receiving scoop) |
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05 |
天權(Upper weight) |
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格叉(Checking fork) |
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06 |
天條(Connecting rod) |
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樞衡(Lower balancing lever) |
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07 |
天池(Upper reservoir) |
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樞權(Lower weight) |
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平水壺(Constant-level tank: a cutaway view) |
圖二 水運儀象台的水輪秤漏裝置
定時秤漏裝置是採用反覆積累能量、定時釋放能量的方式，可調節二級浮箭漏均勻的流速，以控制秤漏的週期擺動頻率，使水輪槓桿擒縱機構保持精確和規律性的間歇運動，達到準確計時作用。《新儀象法要》之儀象運水法對其運動有詳細的描述（圖三）：「水運之制始於下壺，…天池水南出渴烏，注入平水壺；由渴烏西注，入樞輪受水壺。受水壺之東與鐵樞衡格叉相對，格叉以距受水壺。壺虛，即為格叉所格，所以能受水。
圖三 水運儀象台的儀象運水法
水實，即格叉不能勝壺，故格叉落，格叉落即壺側鐵撥擊開天衡關舌，摯動天條；天條動，則天衡起，發動天衡關；左天鎖開，即放樞輪一輻過；一輻過，即樞輪動。….已上樞輪一輻過，則左天鎖及天關開；左天鎖及天關開，則一受水壺落入退水壺；一壺落，則關、鎖再拒次壺，激輪右回，故以右天鎖拒之，使不能西也。每受水一壺過，水落入退水壺，由下竅北流入昇水下壺。再動河車運水入上水壺，周而復始。」（水運儀象的全過程是從升水下壺開始的。…天池中的水由南面的虹吸管注入平水壺; 平水壺中的水由虹吸管向西注入樞輪上的受水壺。
受水壺的東側底緣與鐵製的樞衡格叉相對, 格叉用來抵拒受水壺。受水壺中無水時, 受水壺就被格叉架住, 所以能接受注入的水; 受水壺中水滿時, 格叉就不能架住受水壺, 所以格叉被受水壺壓落; 格叉落下, 受水壺側的鐵撥牙就擊開格叉下方的天衡關舌, 關舌再拉動天條; 天條被拉動, 天衡首端便被拉起, 並帶動天關; 左天鎖被打開時, 樞輪的一支輻板就被放過; 一支輻板被放過時, 樞輪就轉動。…樞輪的一支輻板被放過後, 則左天鎖和天關關住; 左天鎖和天關關住, 則一只受水壺中的水落入退水壺中; 一只受水壺中的水落下, 則天關和左天鎖再抵拒下一支輻板, 並使樞輪向右回彈, 所以用右天鎖來抵拒, 使之不能向西回轉。每一受水壺被放過, 壺中的水就落入退水壺, 退水壺中的水再由壺下部的孔向北流入升水下壺。繼續撥動河車的手柄, 將水提升到上面的水壺, 水就周而復始地使天文鐘運轉不息。）
水輪秤漏裝置在古中國的發展
水輪秤漏裝置是古中國機械鐘的特色，其發展是建立在對刻漏與槓桿技術的掌握，並非蘇頌首創，在東漢張衡之水運渾象可能有了雛形。
古中國最早記載的機械鐘是公元132年東漢張衡的水運渾象，李淳風《晉書‧天文志》上記載：「至順帝時，張衡又制渾象，…，以漏水轉之于殿上，室內星中出沒與天相應，因其關戾，又轉瑞輪蓂莢于階下，隨月虛盈，依曆開落。」這是古中國最早記載將刻漏和天文儀器結合的自動水力機械鐘，此鐘有記日機構可「隨月虛盈，依曆開落」。然而渾象的運轉如何做到與天體運行相應，文獻中並沒有記載，這可能是利用重錘的重力和漏水浮力來驅動與控制渾象的均勻運動，或者是利用水輪秤漏裝置來達到上述的功能。
水輪秤漏裝置的發展與秤漏技術的成熟度有著相當程度的關係。最早記載秤漏的是唐朝徐堅的《初學記》：約公元450年後魏道士李蘭作秤漏，「以器貯水，以銅為渴烏，狀如鉤曲，以引器中水于銀龍口吐入權器，漏水一升，秤重一斤，時經一刻。」它是用古中國秤(Steelyard) 稱量流入受水壺中水之重量的變化來計量時間。隋朝大業初年（約公元620年），耿詢與宇文愷「依後魏道士李蘭所修道加上法秤漏，製造秤水漏器，以充行從。」自此，秤漏成為皇家計時器，並被機械鐘所採用。至唐朝開元十三年（公元723年），一行和尚和梁令瓚造水運渾天時，便掌握了秤漏的技術，並巧妙的與水輪結合，建立了中國式擒縱調速器模式—水輪秤漏裝置。
宋、元是古中國科學技術發展的高峰，在天文計時儀器方面得到了空前的發展，對刻漏的研製豐富多樣，在形式、結構、以及精確度方面都有新的進展。在機械鐘的製造也是如此，公元979年，北宋張思訓製作水銀驅動的太平渾儀，蘇頌、韓公廉承繼張思訓之制於公元1088年作水運儀象台，其水輪秤漏裝置已經非常完備。而公元1276年元朝郭守敬的大明殿燈漏，是脫離天文儀器之一架獨立的機械時鐘。
「滴答」聲入中國社會
至公元1580年代起，傳教士將歐洲鐘錶傳入了中國。歐洲機械鐘的第一個擒縱調速器型式是擺桿機軸擒縱調速器(Foliot and verge escapement regulator)（圖四），其發展主要在十四世紀起的三百年間。公元1601年利瑪竇獻給萬曆皇帝那兩架鐵製的自鳴鐘，雖一是以重錘驅動，一是以發條作為動力，但他們的擒縱調速器形式都是屬於擺桿機軸擒縱調速器，且其技術都已成熟。那利用機軸上、下兩塊的掣板，隨平衡桿的擺動頻率與冠輪的輪齒交互作用發出的滴答聲，仗著皇室的喜好與傳教士的腳步越過了紫禁城。之後，這種走時準確、報時直觀、造型多樣、以及使用簡單可靠的自鳴鐘，逐漸在中國社會流行，正因是「晝夜循環勝刻漏，綢繆婉轉報時全」。
圖四 具擺桿機軸擒縱調速器之重錘驅動的機械鐘
（源自Alte Uhrenneu entdeckt）
