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计时工具

2021-12-20 10:34| 发布者：Davis| 查看：428| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：计时工具可以通过太阳钟、光影计时、圭表、日晷等方式来测量时间，其中漏刻是一种最早的计时方法。漏刻是利用容器漏水现象来计量时间的，其原理简单易懂，使用广泛而且历史悠久。学习了这些计时工具，可以更好地了解时间观念的来源和发展，以及人类文明的进步历程。

1. 光影计时的太阳钟

测量物体日影在一天当中的变化，是最早为人们所掌握的计时方法。作为地球自转的反映，太阳日复一日的东升西落，由此产生了地球上物体的影子的移动。早期人类通过观察这个自然现象产生了时间观念，并逐渐学会了计算时间。物体日影的变化移动过程在这里被人们用作计量时间的标准运动。简单的说，即通过观察物体影子长短或者移动过程来计算时间，这就是光影计时原理。这一原理相对简单，计量工具也不复杂，所以最先被人类掌握。

图1：圭表

根据这一原理设计出的计时工具一般通称为太阳钟，具体包括圭表和日晷等计时工具。圭表由“圭”和“表”两个部件组成，直立于平地上测日影的标杆和石柱，叫做“表”，正南正北方向平放的测定表影长度的刻板，叫做“圭”。通过“表”在“圭”上投影的长短来确定节气。在成书于周代的古代典籍《周礼》中就有关于使用土圭的记载，可见圭表的历史相当久远。我国现存最早的圭表实物是1965年在江苏仪征一座东汉中叶墓葬中出土的一件袖珍铜制圭表，它由19．2厘米的表和34．39厘米长的圭构成，圭表之间有枢轴相连，可将表平放于匣内，圭表合装一体，启合自如，携带方便。

圭表测时的精度是与表的长度成正比的。元代杰出的天文学家郭守敬在周公测时的地方设计并建造了一座测影台。它由一座9．46米高的高台和从台体北壁凹槽里向北平铺的长长的建筑组成，这个高台相当于坚固的表，平铺台北地面的是“量天尺”即圭。这个硕大的“圭表”使测量精度大大提高。

以圭表测时，一直使用到明清时期，现在南京紫金山天文台保存的一具圭表，是明代正统年间（1437—1442）所造的。

图2：赤道式日晷与地平式日晷

日晷也是通过观测日影计时的仪器，通常由铜制的指针和石制的圆盘组成。铜制的指针叫“晷针”，垂直地穿过圆盘中心，起着圭表中立竿的作用，因此，晷针又叫“表”。最常见的日晷是赤道式日晷，石制的圆盘叫做“晷面”，安放在石台上，呈南高北低，使晷面平行于赤道面，这样，晷针的上端正好指向北天极，下端正好指向南天极。在晷面的正反两面刻划出12个大格，每个大格代表两个小时。当太阳光照在日晷上时，晷针的影子就会投向晷面，太阳由东向西移动，投向晷面的晷针影子也慢慢地由西向东移动。于是，移动着的晷针影子好像是现代钟表的指针，晷面则是钟表的表面，以此来显示时间。此外，还有地平式日晷和垂直式日晷。

我国历史典籍中关于日晷的记载最早出现在《汉书》当中。从出土文物来看，我国现存最早的日晷是1897年在内蒙古呼和浩特出土的“玉盘日晷”。此晷呈正方形，边长27．4厘米，厚度3．5厘米，晷面上刻有辐射条纹和1～69的数字，按顺时针方向排列，数字以小隶书写。

圭表与日晷的主要区别在于：圭表根据日影的长短判别方向测定季节、全年日数和冬至、夏至的日子，推算历法等；日晷主要是根据日影的位置来指定当日的时辰或刻数，是我国古代较为普遍使用的计时仪器。

2. 滴水计时的漏刻

现代的人把15分钟称为一刻钟，主要原因起源于漏刻计时。

圭表、日晷等太阳钟操作简易，原理也不复杂，但是其最大弱点就是在阴雨天气或者没有太阳的黑夜是无法使用的，于是人们开始寻找其他的计时方法。计时水钟应运而生，这就是漏刻。据梁代《漏刻经》记载：“漏刻之作，盖肇于轩辕之日，宣乎夏商之代。”这说明，早在公元前三四千年的父系氏族公社时期，我们的祖先就用漏刻这种滴水的器具来计时了。

图3：单只泄水型漏壶

漏刻的发明是古人受到容器漏水现象启发的结果。在新石器时代的早期，我国先民已能制作陶器。陶器在使用时难免会有破损裂缝，某些盛水的陶器可能因破损而漏水，而水的流失与时间的流逝有着一定的对应关系。在长期的社会生活中，这种现象多次地出现，使古人逐渐认识到二者之间的对应关系。久而久之，古人就产生用这种方法计量时间的概念。

图4：多级漏壶

漏，是指盛水漏壶；刻，是指放在漏壶里的标尺，上面刻有计时的标尺。漏刻利用水均衡滴漏原理，观测壶中刻箭上显示的数据来计算时间。作为计时器，漏刻的使用比日晷更为普遍，时间也更为久远。在机械钟表传入中国之前，漏刻也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。

最早的漏刻是简单的单只泄水型漏壶。它就是一只壶，在靠近底部的一侧有一个出水孔。将刻箭置于壶中，随着水面的下降，刻箭缓缓下沉从而显示时间的变化。因此这种漏刻也称为“沉箭漏”，最初是陶制的，以后逐渐用铜制作。目前我国尚未发现秦朝以前的漏刻实物，但从文献来看，先秦时期漏刻已广泛使用。先秦漏刻大都与军事活动有关，军事调度需要有统一的时间，这无疑会促进漏刻的发展。用于军事上的漏刻必须便于携带，故其尺寸不会很大。最常用的漏刻就是“一刻之漏”，即每漏完一壶水的时间为1刻（古刻，一昼夜为100刻，一古刻合今14．4分钟。现代的1刻等于15分钟，一昼夜为96刻）。如果要计量较长的时间，可以再灌满漏壶，重复下去。

沉箭漏受环境温湿度、大气压力的因素影响较大，是漏刻发展的初级阶段。之后，漏刻发展史上的里程碑——“浮箭漏”出现了。浮箭漏是由两只漏壶组成，一只是播水壶（亦称供水壶或泄水壶），另一只是受水壶。受水壶内装有指示时刻的箭尺，故通常称为“箭壶”。箭壶承接由播水壶流下的水，随着壶内水位的上升，安在箭舟上的箭尺随之上浮，所以称作浮箭漏。由于箭尺不直接放在播水壶中，故可以采取措施来保持播水壶内水位的稳定，从而保证流量的稳定，提高计时精度。此后沿着稳定水位、提高精度这一思路，又逐渐发展出了使用数只补给水壶的“多级漏壶”。所谓多级漏壶就是用两个以上漏壶，自上而下放置，使最上面一个壶中的水流入第二壶，再由第二壶流入第三壶，以此类推，逐一补给直至最后一壶（泄水壶）流入箭壶。箭壶中的水连同浮舟慢慢升起。由于得到上面几级漏壶的补给，最后一级壶中的水位可大体保持稳定不变，从而大大提高了计时精度。从这以后，经过历代的研究、改良，浮箭漏成为我国古代漏刻的主流。

3. 沙子计时的沙漏

图5：沙漏

在古代，据说有一年非常寒冷，把水钟里的水都冻上了，这一年大家都没有很好的时间。出了这个事故以后，古人就在想，有没有不结冰的漏刻呢？答案是肯定的，把漏刻里的水换成沙子就形成了沙漏。

沙漏是我国古代的一种计量时间的仪器。沙漏的制造原理与漏刻大体相同，它是根据流沙从一个容器漏到另一个容器的数量来计量时间的。西方发现最早的沙漏大约在公元1100年，比我国的沙漏出现要晚。

最著名的沙漏据《明史·天文志》载，1360年詹希元创制的“五轮沙漏”。流沙从漏斗形的沙池流到初轮边上的沙斗里，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，这种显示方法几乎与现代时钟的表面结构完全相同。此外，詹希元还巧妙地在中轮上添加了一个机械拨动装置，以提醒两个站在五轮沙漏上击鼓报时的木人。每到整点或一刻，两个木人便会自行出来，击鼓报告时刻。这种沙漏脱离了辅助的天文仪器，已经独立成为一种机械性的时钟结构。后来周述学加大了流沙孔，以防堵塞，改用六个轮子。

由于无水压限制，沙漏比漏刻更精确。宋濂（1310—1381）著《宋学士文集》记载了沙漏结构，有零件尺寸和减速齿轮各轮齿数，并说第五轮的轴梢没有齿，而装有指示时间的测景盘。

4. 燃香计时的火闹钟

图6：火钟

火，使人类开始吃上熟食，火给人类带来光明。可能很多人还不知道，火也被人们用来计时，这就是古代的火钟。可以想象，在古代，人们白天从事游牧和耕种，可以靠观察太阳的“移动”来测量时间，但夜里漆黑一团，用什么来计时呢？闪动的篝火给人以启示，人们发现，一定数量的同一种燃料，燃烧的时间大致相同，于是想到用火的燃烧来计时，就发明了火钟。

有一种火钟叫“定时蜡”，蜡烛本身的“燃料”数量已经确定，在燃烧时，只要周围环境变化不大，蜡烛燃烧的速度也就基本相同，那么烧完一支蜡烛的时间也就大体一样。如在蜡烛上刻上相应的记号，就可以用它来计量时间间隔了。

我国是火钟的故乡，这种火钟是由我们平时所熟知的盘香构成的，用一些特殊树木磨成粉末，并加入一些香料，和成“面团”，就可以制成盘香了。大的盘香几公尺长，可以燃烧几个月。如在盘香的特定位置上再装上几个金属球，盘香下面放一个金属盘，当燃烧到某一特定的部位时，金属球就会落在金属盘里，发出清脆的响声，这就构成了“火闹钟”。

火钟，和我们现代的钟表一样，是一种计量时间间隔的工具。但火钟计时的精度不可能做得很高。因为火钟的燃烧速度总是取决于燃烧条件，至于制造成完全相同的蜡烛、盘香更是不可能的事，燃料和燃烧条件两个因素都不确定，燃烧速度也在变化，计时精度就低了。火钟还需要人们定期看管，所以用火钟来计时，仍然有一定的局限性，这就促使人们继续探索更精确的计时器。

5. 机械振动的机械钟

机械钟表的发明、应用是一个较为漫长的过程，它伴随着人类社会科技水平的发展以及人们对自然界认知水平的提高。简单来说，机械钟表就是利用发条恢复变形所放出的能量或利用重物下降的重力作能源，以机械振动系统为计时基础，实现计量时间和时间间隔的机械机构。

图7：水运仪象台结构

机械钟的起源可以追溯到我国宋朝苏颂设计的水运仪象台。水运仪象台有一套比较复杂的齿轮传动系统。在枢轮的上方和圆周旁有“天衡”装置──擒纵机构，这是计时机械史上一项重大创造，它把枢轮的连续旋转运动变为间歇旋转运动。

水运仪象台可以说是一种最早的机械摆轮，是已知的以机械运动的周期作为计时标准的最早尝试。由于是通过水流计时，而不是通过机械装置本身的运动计时，因此，也可以把它看做从稳定的流水计时到机械振动计时的过渡。

苏颂的水运仪象台出现的时间不巧，制造出来以后，宋朝的皇帝认为它是“奇技淫巧”，破坏了都城开封的风水，把它搬到开封的一角，苏颂也郁郁不欢，没有传下详细的资料，这使中国白白地丧失了一次机械钟发展的机会。

图8：钟表的机械结构

后来，十字军东征，中国时钟制造技术传到了欧洲，启发欧洲人去制造类似的装置。在近代欧洲，随着经典物理学的发展，人们发现了弹簧、单摆等的机械振动具有固定的周期。通过测量和计算物体机械振动的固有周期来计量时间，这就是机械钟表计时原理。伽利略发现单摆的等时性以后，建议研制利用单摆作为核心守时装置的计时器，这一提议在惠更斯手中得到实现。这样以重锤提供动力，以单摆为计时基准，使用擒纵机构的惠更斯摆钟在1656年诞生了。这也是人类历史上第一架摆钟。

此后随着科技的进步特别是制造业水平的提高，机械钟的动力装置、传动系统和守时机构不断被优化革新。1918年，瑞士一位名叫扎纳·沙奴的钟表匠，经过精心设计，制造出一种体积较小的机械表，并在表的两边设计有针孔，用来装皮制或金属表带，以便把表固定在手腕上——手表诞生了。

图9：擒纵机构的工作原理

擒纵机构是钟表制造史上非常重要的发明，总体上说，擒纵机构就是擒一下，放一下，使齿轮运动的周期与单摆周期或者游丝周期相同。在一个钟表里面，齿轮中有动力装置，带动齿轮按照逆时针方向转动，单摆控制推杆A和推杆B，使齿轮在单摆的一个周期转动固定的轮齿数。图中三副图画出了擒纵器的三个工作过程。首先，当钟摆处于最右边时，单摆摆动带动推杆A和轮齿接触，齿轮不动。然后，单摆向左边移动，推杆A松开轮齿，齿轮在重物的牵引下开始转动，等单摆在中间时，推杆A和推杆B都与轮齿接触，又把齿轮锁上，齿轮停止运动。当单摆再向左移动，推杆A松开，推杆B锁紧齿轮，齿轮继续静止。等到单摆从最左边向右运动时，按照上面的原理，齿轮会再走一定距离。这样，擒纵机构控制齿轮按照固定周期转动，形成钟表的计时基础。

机械钟进入中国最早是在公元1601年。意大利传教士利马窦把自鸣钟（机械钟）作为贡品献给明朝万历皇帝，揭开了中国人使用机械时钟的序幕。清康熙年间，中国成为世界上最大的钟表进口国，来自西洋的珐琅钟、玩具钟及各式打簧表大量涌入中国。康熙皇帝本人也对西洋钟产生了浓厚兴趣，为此还专门下谕旨，令皇家内务部制造局成立钟表处，中国第一次建立了造钟局，开始自己生产机械时钟。19世纪末期，我国造钟工艺达到了一个崭新的水平。1875年由上海“美利华”作坊制造的南京钟为屏风式样，钟面镀金，镌刻花纹，以造型古朴典雅、民族风格鲜明和报时清脆、走时准确而闻名于海内外，曾于1903年在巴拿马国际博览会上获特别奖。

新中国成立后，1955年，原天津华北钟厂组成了一个尝试自己制造手表的小组。经过3个多月夜以继日的研制，他们成功制造装配出2只15钻成品手表，在手表140多个零件中，除游丝、发条、钻石等配件外，大部分零件都是厂里的师傅用灵巧智慧的双手一个个加工出来的。

6. 晶体振荡的电子表

人们掌握了电的振荡特性以后，就开始用电的振荡来制造钟表了。

图10：第一代电子表工作原理

原始的电子手表，即第一代电子表，是电子手表和机械手表相结合的产物，游丝摆轮与电的振荡共存。不过，走时的精度不再取决于游丝的摆轮，而是取决于电的振荡。因此，把第一代电子手表称为游丝摆轮式电子手表。

第一代电子表的基本工作原理是，电池给晶体管振荡器提供能量，使之发生并维持振荡。在振荡过程中，电感线圈的磁场发生周期性的变化，作用于摆轮上的永久磁铁，推动摆轮，使它按着磁场变化的周期（即振荡周期）来回摆动，再通过齿轮系统带动指针转动，指示出时间来。

第一代电子表还是粗糙的，它的走时误差为每天15秒左右，与机械表相比，还看不出很大的优越性。振荡的频率主要是由回路的电容和电感决定的，它的数值仍不够稳定，与机械手表一样，温度就是一个很重要的影响因素。为了提高计时精度，需要尽可能使振荡频率稳定，人们就设法寻找稳定振荡频率的方法，作为稳频元件，首先采用的就是音叉。使用音叉的电子表就是第二代电子表。

图11：第二代电子表工作原理

医生检查听力的时候，用一个小锤子敲的那个东西就是音叉。医生把用小锤击过的音叉放在患者的耳边，在一段时间内，患者耳边就会响起持续的“嗡嗡……”，这说明音叉产生了振动。如果音叉是用受温度影响很小的金属材料制成的，这种振动就非常稳定。

当然，用来制造第二代电子表的音叉，要比医生的小得多了。电池向振荡器供电以后，振荡器就发生了振荡，电感线圈的磁场和固定在音叉两臂顶端的磁钢相互作用，驱动音叉振动起来，它的振动频率反过来又去控制振荡器的振荡频率，使整个振荡系统的振荡频率主要决定于音叉的振动频率，这就是所谓的稳频作用。音叉的一个臂伸出一个推爪，音叉振动时，它就推动计数轮，使整个齿轮系统转动起来，带动指针走动。

在第二代电子表中，已经去掉了传统的游丝、摆轮等，向更高一级发展，每天的误差在5秒以内。

图12：第三代电子表工作原理

第三代电子表是指针式石英手表。音叉式电子手表的走时精度是提高了，但是它仍不能满足人们对精确时间的要求，人们开始采用更为理想的稳频元件——石英晶体。石英晶体具有十分稳定的物理和化学性能，它的稳频效果极佳。

第三代电手表主要是由微型电池、石英晶体、集成电路、微型马达和齿轮、指示系统构成的。石英晶体作为振荡电路中的一个稳频元件，接通电源以后和集成电路一起形成振荡，产生一个非常稳定的32768Hz的信号，也是通过集成电路将它变换成每秒振荡一次（1Hz）的信号，并放大到足够强度，推动微型马达，带动齿轮、指针转动。

图13：第四代电子表工作原理

第四代电子手表仍然用石英晶体作为稳频元件，但它的机械结构已经减到了最少程度，连传统的齿轮、指针都不见了。代替齿轮的是集成电路，代替指针的是发光二极管或其他显示元件。人们称第四代电子手表为数字显示石英手表。

在人类制表历史上，由于用了石英晶体作为稳频元件，又采用集成电路，使钟表的制造发生了重大变革，每天的误差不到0．1秒，达到了非常高的精度。

7. 原子振荡的原子钟

到现在，我们的时钟已经从最早的靠天计时，转变到了依靠人类自己制作的单摆、晶体振荡器等具有周期现象的东西，但这些仍然不能满足人们探索宇宙、追求极限的需求，怎么办，人们想到了把原子跃迁频率套在石英晶体振荡器的频率上的方法。

根据量子物理学的基本原理，原子由原子核和电子组成，电子绕原子核高速旋转，电子有不同的旋转轨道，电子在不同的旋转轨道具有不同的能量，这些能量是不连续的，称为能级。电子在不同的能级之间可以跃迁，当电子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波的频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的同一种跃迁的共振频率是一定的，例如铯133的一个共振频率为每秒9192 631770Hz。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。

30年代，拉比和他的学生们在哥伦比亚大学的实验室里研究原子和原子核的基本特性。在其研究过程中，拉比发明了一种被称为磁共振的技术。依靠这项技术，他能够测量出原子的振荡频率。为此他还获得了1944年诺贝尔奖。同年，他提出用原子的振荡频率来制作高精度的时钟。他还特别提出要利用所谓原子的“超精细跃迁”的频率。这种超精细跃迁指的是随原子核和电子之间不同的磁作用变化而引起的两种具有细微能量差别的状态之间的跃迁。

图14：各种类型的原子钟

实际上，原子钟原理也是非常简单的，就是先激发原子，使其处于高能级，然后等原子跃迁到低能级以后，自然会辐射一个光子，使用集成电路，用锁相环将晶体振荡器的频率锁定到光子跃迁频率上。因为跃迁频率很稳定，晶体振荡器的频率也就非常稳定。原子钟的输出实际上是晶振的输出，只不过，这个晶振的频率被原子跃迁频率约束住了。

根据这个原理，人们研究出很多种原子钟。被利用的化学元素有铷、铯、氢、锶等，分别以这些元素的名字命名，如铯原子钟等。对每一种元素，针对不同的用途开发出不同的原子钟。现在最小的原子钟只有一粒大米一样大小，最大的原子钟长度超过5米，最便宜的原子钟约1万元人民币，最贵的原子钟价值超过百万元，这些原子钟各有各的用途，在各行各业发挥着巨大的用途。

8. 电波控制的电波钟

电波钟，就是用无线电信号控制普通的振荡器，使振荡器达到与原子钟一样的效果。

图15：各种类型的电波钟

电波钟接收无线时间编码信号并同步到协调世界时（UTC）。一些制造商谈到他们的电波钟就和原子钟一样，然而事实并非如此。他们都使用晶体振荡器，但真正的原子钟内部都有一个原子振荡器，晶体振荡器的频率用原子的振荡频率约束。电波钟内部拥有一个无线接收装置，这个装置能够接收来自于原子钟的无线电时间信号，晶体振荡器的频率用接收到的无线电时间信号约束。

早在原子钟发明之前，电波钟就已经出现了。在20世纪60年代，原子钟逐渐成为可靠的权威之前，无线电时间信号先后使用摆钟和石英钟作为参考。

以各种不同的形态，电波钟已经陪伴我们渡过了将近一个世纪，在20世纪90年代后期以前，电波钟都是为了实验室的实用软件或是技术爱好者的需要而设计出来的十分昂贵的设备，现在，低廉的电波钟应用到了每一个角落，壁挂式时钟、座钟、手表都与诸如国家授时中心低频时码授时台的时间或其他国家授时台的时间保持同步，还有一些电波钟被植入了诸如电话、电视、传呼、车载电台之类面向用户的电子产品之中。电波钟越来越普遍，使得“旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家”。可以预料，在不远的将来，每一个钟表都将精确的同步于标准时间，实现全球的一致。

我国比较普遍的电波钟是国家授时中心的低频时码授时的电波钟，已经有挂钟，手表等多种形式。