水運儀象台是世界上第一個天文鐘。它如何能以小小的水力,將那麼龐大的渾儀、渾象,以及報時系統一起運轉呢?
時間是均勻的,古人為了計時,就要製作一個均勻性的機械裝置。在當時,機械鐘還沒有被發明,古人想到的是以水為動力。
水運儀象台就是在一個大樞輪上,安置了三怳賒茈i傾式受水壺,水流穩定地循序注入各個壺中,當壺水滿,重量大於托住它的槓桿「格叉」與「樞衡」時,受水壺就會像古代的敧器一樣,向下翻轉。此時受水壺中剩餘的水的重量,會帶動樞輪轉動,樞輪再帶動齒輪,齒輪帶動上層的渾儀、中層的渾象,以及下層的報時系統同步運轉。
這道理說來容易,但是有好幾個問題要解決。首先,水怎樣才能穩定地流進受水壺呢?用人工直接打水,絕對無法精準;在水箱上挖一個洞,由洞口流出水來,也會因為箱內水位高低變化,水壓不同,造成水的流速有異。古人想到的辦法,是以兩個水箱相連,第二個水箱保持水位恆定,這樣注入受水壺的水流量和流速就可以穩定不變了。
另外一個問題,則是受水壺水滿之後,向下傾倒,怎樣才能讓樞輪只轉動一格就停住了呢?這正是水運儀象台最大的奧秘所在;據悉大陸所復原的水運儀象台,就是在這裡沒有突破困局。
根據郭美芳研究,蘇頌當年是用一座一卡一放的擒縱裝置──「天衡」,來解決這個問題:
當受水壺水滿傾倒,敲下「關舌」時,會牽動一支相連的「天條」,使上方槓桿上「天權」這一邊的重力瞬間加大,而使「天關」上翹;左天鎖這樣被開啟後,就不再卡住樞輪,樞輪便會在兩側的受水壺一邊空、一邊仍有剩水,以致重量不等的情況下,向重的一邊轉動。
這時候,下一個受水壺降落到格叉上,同時天關已下降,即左天鎖關上,卡住樞輪,使樞輪不再往前轉,並利用右天鎖來防止樞輪因反作用力而倒轉。等受水壺滿水下傾時,壓下關舌,又會開始另一次的擒縱作用。
由於樞輪怳壎角j,它轉動時,力量便足以帶動齒輪及相連的天柱跟著轉動。在天柱上面,另外連貫著兩個齒輪,分別帶動下層的報時系統、中層的渾象,以及上層的渾儀,整個水運儀象台,就這麼均勻地運轉不息了。
蘇頌用兩個相連的水箱——天池與平水壺(故宮博物院提供),使水流穩定注入樞輪的受水壺中(薛繼光攝)(薛繼光攝)
樞輪運轉時,帶動樞軸轉動,樞軸引動下輪,同時運轉天柱(故宮博物院提供)。天柱上連有上輪、中輪,就可以同步運轉渾儀、渾象,和報時系統了(薛繼光攝)。