張衡(78-139)，別名字平子，漢族，南陽西鄂(今河南南陽市石橋鎮(zhèn))人，我國東漢時期偉大的天文學(xué)家、數(shù)學(xué)家、發(fā)明家、地理學(xué)家、制圖學(xué)家、文學(xué)家、學(xué)者，在漢朝官至尚書，為我國天文學(xué)、機(jī)械技術(shù)、地震學(xué)的發(fā)展作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。張衡發(fā)明了地動儀之外，還有什么發(fā)明呢?一起來看看小編給大家精心準(zhǔn)備的資料，歡迎閱讀!

　　張衡的發(fā)明創(chuàng)造

　　多級刻漏

　　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。刻箭穿過容器蓋上的孔，向外伸出，從孔沿即可讀得時刻讀數(shù)。這種刻漏的計時準(zhǔn)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勻性和準(zhǔn)確性，古人想了兩步對策。第一步是把泄水型沉箭式改為蓄水型浮箭式，即把刻漏滴出的水收到另一個圓柱形容器內(nèi)，把箭舟和刻箭都放在這個蓄水容器內(nèi)，積水逐漸增多，箭舟托著刻箭漸逐上升，由此來求得時刻讀數(shù)。第二步則是在滴水器之上再加一具滴水器。上面的滴水器滴出的水補(bǔ)充下面滴失的水，這樣，可使下面的滴水器水面的下降大大延緩，從而使下面的滴水器出水速度的穩(wěn)定性得到提高。這樣的刻漏稱為二級刻漏。如果按這思路類推，可以在二級刻漏之上再加一級，則刻漏運行的穩(wěn)定性又可提高。這就成�HBA�三級刻漏，如此等等。大概在隋唐以后，中國發(fā)展出了四級和四級以上的刻漏。不過，關(guān)鍵的從單漏到二級漏這一步發(fā)生在什么時代?在張衡以前的文獻(xiàn)和考古實物中都沒有提供明顯的資料。

　　不過在一篇題為《張衡漏水轉(zhuǎn)渾天儀制》的文章中描述了張衡所用的刻漏是一組二級刻漏。這篇文章當(dāng)是張衡或其同時代人的作品，原文已佚，現(xiàn)只在唐初的《初學(xué)記》卷二十五中留有幾段殘文。文如下：“以銅為器，再疊差置。實以清水，下各開孔。以玉虬吐漏水入兩壺，右為夜，左為晝”。“(蓋上又)鑄金銅仙人，居左壺;為金胥徒，居右壺”。“以左手把箭，右手指刻，以別天時早晚”。其中所謂疊置當(dāng)是指二具刻漏上下放置。所謂差置是指上下二具容器放置得不相重而有所錯開。所謂再疊差置當(dāng)是指有三層容器錯開疊放。至于下面的蓄水壺又分左、右兩把，那是因為古代的時刻制度夜間和白天有所不同，所以張衡干脆就用二把。同時，這樣也便于刻漏的連續(xù)運行。

　　渾天儀

　　張衡在創(chuàng)作了渾天儀之后曾寫過一篇文章。此文全文已佚。只是在梁代劉昭注《后漢書·律歷志》時作了大段引述而使之傳世。劉昭注中把這段文字標(biāo)題為《張衡渾儀》。稱之為“渾儀”可能是劉昭所作的一種簡化。在古代，儀器的定名并不嚴(yán)格。雖然后世將“渾儀”一詞規(guī)范為專指觀測儀器，但在隋、唐以前，“渾儀”也可用于表演儀器。劉昭所引此文與前面提到的《張衡漏水轉(zhuǎn)渾天儀制》是否原屬一篇文章，此事也已無可考。不過從二者標(biāo)題文字相差甚大這一點來說，說是二篇文章也是有理由的。不管這事究竟如何，單說劉昭所引，近人已有證明，它應(yīng)是張衡原作。

　　我們考察劉昭所引的這一段文字大約有三個內(nèi)容。第一部分講渾天學(xué)說和渾天儀中天極、赤道和黃道三者相互關(guān)系及彼此相去度數(shù)。第二部分講所謂黃赤道差的求法和這種差數(shù)的變化規(guī)律。這是這一殘文中的最多篇幅部分。第三部分講黃道二十八宿距度以及冬、夏至點的黃道位置。仔細(xì)研究這篇殘文可以得到兩點重要信息。

　　其一，文中介紹了在天球儀上直接比量以求取黃道度數(shù)的辦法：用一根竹篾，穿在天球兩極。篾的長度正與天球半圓周相等。將竹篾從冬至點開始，沿赤道一度一度移動過去，讀取竹篾中線所截的黃道度數(shù)，將此數(shù)與相應(yīng)的赤道度數(shù)相減，即得該赤道度數(shù)(或黃道度數(shù))下的黃赤道差。從這種比量方法可以悟得，中國古代并無像古希臘那樣的黃經(jīng)圈概念。中國古代的黃道度數(shù)實際是以赤經(jīng)圈為標(biāo)準(zhǔn)，截取黃道上的弧段而得。這種以赤極為基本點所求得的黃經(jīng)度數(shù)，今人名之為“偽黃經(jīng)”、“極黃經(jīng)”(實際當(dāng)名為“赤極黃經(jīng)”)等等。對于像太陽這樣在黃道上運動的天體，其偽黃經(jīng)度數(shù)和真正的黃經(jīng)度數(shù)是相等的。而對黃道之外的天體，則二者是有區(qū)別的(當(dāng)然，除了正好在二至圈——過冬、夏至點及赤極、黃極的大圓——上的點之外)，距黃道越遠(yuǎn)，差別越大。

　　其二，文中給出了所謂黃赤道差的變化規(guī)律。將赤道均分為24等分。用上述方法求取每一分段相當(dāng)?shù)狞S道度數(shù)。此度數(shù)與相應(yīng)赤道度數(shù)的差即所謂黃赤道差。這是中國古代所求得的第一個黃赤道差規(guī)律。黃赤道差后來在中國歷法計算中起了很重要的作用，作為首創(chuàng)者的張衡其貢獻(xiàn)也是不可磨滅的。

　　除了劉昭所引的這段文字之外，在晉、隋兩《書》的“天文志”里所引述的葛洪的話中轉(zhuǎn)引了一段題為《渾天儀注》的文字;在唐代《開元占經(jīng)》第一卷里編有一段題為《張衡渾儀注》和一段題為《張衡渾儀圖注》的文字。把這3段文字和劉昭所引的《渾儀》一文相比較后可以知道，葛洪所引的《渾天儀注》這段文字不見于劉昭所引，而見于《張衡渾儀注》中。《張衡渾儀注》的剩余部分和《張衡渾儀圖注》即是劉昭所引文字的分割，但又有所增刪。除此之外，在《開元占經(jīng)》卷二十六“填星占”中還有3小段題為《渾儀》的文字;卷六十五的“天市垣占”下小注中有題為《張衡渾儀》的文字一句。這4段文字也不見于劉昭所引。總括上述情況，可以得出兩點結(jié)論：其一，劉昭所引只是張衡《渾儀》一文的節(jié)選。張衡原文的內(nèi)容更為豐富一些。但豐富到何種程度，現(xiàn)已無可考。且自《隋書· 經(jīng)籍志》以來的目錄著作中，對《渾儀》(或《渾天儀》)一文從來只標(biāo)注為“一卷”。因此，想來不會有驚人的數(shù)量出入。其二，張衡《渾儀》一文確曾被人作過注，還補(bǔ)過圖注。注和圖注大概不是一人所注，且大概不是張衡本人所加，否則就不會有單獨的《渾儀》一文的存在了。

　　這幾段與《渾儀》有關(guān)的文字中當(dāng)代研究家最關(guān)心的是葛洪所引的《渾天儀注》是否是張衡原作的問題。因為這一段文字素來被現(xiàn)代研究家視作中國古代渾天說的代表作，甚至視其地位猶在《靈憲》之上。過去人們當(dāng)然把它看作是張衡的作品。但到70年代末，有人對此提出了全盤的否定。認(rèn)為所有冠以或不冠以張衡之名的《渾儀》、《渾儀注》、《渾儀圖注》、《渾天儀注》等等都是后人的作品。嗣后，又有人對之作了全面的辯駁，維護(hù)了傳統(tǒng)的觀點。這一段爭論前后歷時長達(dá)12年。現(xiàn)在看來，全面否定張衡有《渾天儀》一文傳世的論點已基本失敗，即至少可以肯定，劉昭所引的《渾儀》一文是張衡原作。但否定者仍有其歷史貢獻(xiàn)，他啟發(fā)人們?nèi)プ⒁夤糯墨I(xiàn)流傳中的復(fù)雜情況。例如，過去人們并未認(rèn)識到《渾儀》一文還有行星和恒星等方面的內(nèi)容。同時，也仍然還有理由可以懷疑葛洪所引《渾天儀注》一段是否是張衡原注。因為第一，這一段名之為“注”，而在古代文獻(xiàn)中，加不加“注”字是有本質(zhì)差別的。不加“注”字的是指原文，加“注”字的就有注文。既然有不加注字的《渾天儀》，則加“注”字的《渾天儀注》就不只是《渾天儀》原文，而且還有注文。第二，《渾天儀注》的思想就其正確面而言，并不超出《靈憲》。如果我們把《靈憲》中的地看作是浮于水面，孤居天中央，遠(yuǎn)較天為小的陸地的話，那么這與《渾天儀注》所說的“地如雞子中黃，孤居于天內(nèi)，天大而地小。天表里有水，天之包地猶殼之裹黃。天地各乘氣而立，載水而浮”等這段綱領(lǐng)性的話并無矛盾。反之，《渾天儀注》中認(rèn)為“北極……出地上三十六度”，這段話當(dāng)不可能是注重實際觀測的張衡的結(jié)論。張衡的誕生地南陽，長期當(dāng)太史令的地點洛陽，都不會有北極出地三十六度的現(xiàn)象。根據(jù)他曾到過全國很多地方的經(jīng)歷來看，張衡也似乎不應(yīng)有北極出地為固定值的概念。這大概也正是他在《靈憲》一文中未提北極出地數(shù)值的原因。有鑒于此，寧可把《渾天儀注》的作者問題作為存疑，而期待今后的研究與發(fā)現(xiàn)。

　　瑞輪

　　莢更是一件前所未有的機(jī)械裝置。所謂莢是一種神話中的植物。據(jù)說長在堯帝的居室階下。隨著新月的出現(xiàn)，1天長1個莢，到滿月時長到15個莢。過了月圓之后，就一天掉1個莢。這樣，數(shù)一數(shù)莢的莢數(shù)就可以知道是在一個朔望月中的哪一天和這天的月相了。這個神話曲折地反映了堯帝時天文歷法的進(jìn)步。張衡的機(jī)械裝置就是在這個神話的啟發(fā)下發(fā)明的。聽謂“隨月盈虛，依歷開落”，其作用就相當(dāng)于現(xiàn)今鐘表中的日期顯示。

　　遺憾的是關(guān)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(guān)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(jī)械科技知識對這個裝置作了一些探討。最初，人們曾認(rèn)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。有人提出了一種完全不同的設(shè)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(dāng)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(dāng)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(dāng)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(xì)小緩慢的水流量就越難以驅(qū)動這個系統(tǒng)。(iii)更關(guān)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(shè)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(dá)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)械運動來精確地反映天球的周日轉(zhuǎn)動。而直到20世紀(jì)下半葉原子鐘發(fā)明和采用之前，一切機(jī)械鐘表都是以地球自轉(zhuǎn)，亦即天球的周日轉(zhuǎn)動為基礎(chǔ)的。所以，中國的水運儀象傳統(tǒng)乃是后世機(jī)械鐘表的肇始。誠然，在公元前4世紀(jì)到公元前1世紀(jì)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)和人們所設(shè)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。可是在隨后的羅馬時代和黑暗的中世紀(jì)，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(jī)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(dāng)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(dāng)高。而渾天儀是以刻漏的運行為基礎(chǔ)的。由此可以知道，張衡的刻漏技術(shù)也很高明。