古人用日晷计时的原理是什么（一文分析日晷的计时原理）

玛雅 • 2022年8月5日 14:37:07 • 投稿 • 阅读 641

钟表是我们现代人司空见惯的时间工具，几乎每家都会有一个钟或手表，发展至今天，钟表越来越小型化，各种奢侈表，名表充斥着市场，电子钟也大行发展，极大的方便了人们。

在影视剧中经常看到更夫打更，“天干物燥，小心火烛”都成更夫的代名词了，打更其实就是报时，晚上七点打“落更”，“二更”为晚上九点，“三更”为晚上十一点，“四更”为凌晨一点，“五更”为凌晨三点。更夫是如何知道几点打更的呢？得益于他们的计时工具，大多是滴漏和线香。除了通过滴漏、燃香等来计时，古人还发明了日晷、圭表、水运浑动仪、水运仪象台等。这些计时器相辅相成，与时俱进，为古人提供更为准确的时间。

图1 日晷

先来了解一下我们经常听到的日晷，日晷又称“日规”，是最早的计时工具之一，日晷本意是指太阳的影子，故而它的计时原理也和太阳有关，通过太阳投影的移动方向来确定并划分时刻，由晷面和晷针组成，晷面上刻有刻度。日晷上面的刻度并不是都相同的，因为不同的纬度太阳光的照射时长不同。因此，日晷有水平式日晷、赤道式日晷、子午式日晷以及卯酉式日晷等等。

最常用的是水平式日晷，因为刻度盘采用水平的而得名，指针的倾斜度需根据当地纬度来确定，适合低纬度地区使用。赤道式日晷的刻度盘是等分的，指针朝北固定，指针垂直于刻度盘，常用于赤道附近的纬度，不同纬度范围都会有相应的日晷。

图2 圭表

圭表是我国最古老的计时器，《周易》中就有记录，它的原理也和日晷一样，利用太阳射影来计时，日晷还是在它基础上发展而来的，算是一家亲了。

圭表中的“表”是指直立于平地上测日影的标杆和石柱，“圭”则是正南正北方向的测定表影长度的刻板。圭表可以计时还可以用来测定节令，日出而作，日落而息是劳苦人民的一天最真实的写照，所以掌握节气变化对古代农民来说尤其重要，夏至日行极北，正午时刻表影最短，冬至日行极南，正午时刻表影最长；春分和秋分太阳出没于正东西，正午时刻表影适中，进而确定，春分、夏至、秋分、冬至四个节气。

圭表在古代还有一些象征意义，古人崇尚“至信为时”，也就是诚信，作为测量时间的圭表自然是被认为是诚信的表征。作为臣子、妻子都得恪守圭臬法则，“臬”是表的另一个名称。奉行“男子之蘖”和”女子之蘖”，核心就是为人臣，为人妻必须诚信、忠诚。

图3 漏刻

圭表、日晷都是我国古到人民根据”立竿见影”的效果来发明出的计时工具。但这两种的计时工具有一个明显的缺点，它们需要太阳，一年365天，总不能天天大太阳吧？假如没有了太阳，比如碰上阴雨天、夜晚，日晷、圭表就失去了作用，这时一种突破太阳光限制的计时工具—–漏刻应运而生。

据记载，西周时候就已经有了漏刻，所谓“漏”就是壶，可用来装水亦可泄水，前者为受水型漏壶，后者为泄水型漏壶，“刻”即是记有刻度的箭。它的原理是利用水从漏壶中滴出，水位下降，壶中的箭刻也下降，从而确定时间或滴水进壶中，水位上升，箭刻上升来指示时间。

早期都为泄水型漏刻，受水压力的影响较大，水位高时，水滴下落过快，水位低，水滴下滴过慢，造成误差。后期的受水型漏刻以恒定的水量注入漏壶，提高了记录时间的精度。为了能使滴水更加均衡，古人还创造性的采用多级漏壶以来平衡水的流速。水漏刻的发明是古人克服大自然条件限制的重大进步，但水是一种流体，存在多种形态，受到温度和空气湿度影响，这些参数的改变都会影响记录的精度，白天和夜晚需分别参照日晷和星宿来调整。

图4 浑天仪

在学会运用水流动来计时的基础上，以水作动力的计时器也问世了，相传东汉张衡的浑天仪就是用水作动力，可以准确记录日出星辰。唐朝的僧一行和梁令瓒设计了第一代水运浑天仪，它可以模仿天体运动，也可测定时间，据《新唐书·天文志》记载，浑天仪上装有日、月两个轮环，以水击轮，令其自转，浑象转一周即为一天，日便环转1/365周，仪上还装有两个木偶，分别击鼓报刻，这时一个设计十分精妙的机械，媲美现在的挂钟一样准点报时，简单来说就是世界上最早的机械时钟，比西方要早六百年。

有了这么一个开端，后面的发明自然是接踵而来，北宋的苏颂等人发明了水运仪象台，相比水运浑天仪，它的齿轮机构更加复杂，精度也更高，意义最大的是在仪器上装有一擒纵机构—-“天衡”，这一机构可以让齿轮由连续运转转为间隔运转，即减少了机械疲劳，又提高了精度，一举两得。元代天文学家郭守敬利用水作动力制造了大明殿灯漏，它可以“一刻鸣钟、二刻鼓、三钲、四铙”的自动报时。

图5 水运仪象台

以水作动力的计时装置，虽然水易得，但在冬天夜晚温度很低，水极易结冰，那岂不是这些计时装置都失效了，纵使古人可把几种计时器结合使用，也不至于影响生活，但终究不是长久的办法，这时古人又采用流沙作动力，明代詹希元发明了五轮沙漏，由沙池、斗轮、减速齿轮组和刻度显示器组成。但五轮沙漏易堵塞，后由周述学改进，《明史·天文志》：“厥后周述学病其窍太小，而沙易堙，乃更制为六轮，其五轮悉三十齿，而微裕其窍，运行始与晷协”，成为六轮沙漏。

古人的智慧是无穷无尽的，计时工具的发明很大程度促进了生产力发展，是很多现在历法计算的基础。