《長安十二時辰》里的這個,可能是歷史上最簡單鬧鍾
2019年07月23日08:45

  來源:科學大院

  最近大熱的《長安十二時辰》不知道大家看了沒,在這部劇中,時間是非常重要的一條主線,劇中也出現了各式各樣的古代計時工具,比如下面這個:

  劇中李司丞命令架起“火鬧鍾”來倒計時:

架上的“火鬧鍾”是這個樣子↓↓:
架上的“火鬧鍾”是這個樣子↓↓:
那麼這個“火鬧鍾”是怎樣計時的呢?別著急,答案在後面~
那麼這個“火鬧鍾”是怎樣計時的呢?別著急,答案在後面~

  “火鬧鍾”只是古代眾多計時工具的一種。今天,大院er就帶著大家一起瞭解一下,計時工具的前世今生。

  日晷:看影子,知時間

  遠古時期,人們對計時精度並沒有多大需求,日出而作,日落而息,太陽的位置便是他們評判時間的唯一依據。

  但隨著人類的發展,人們對“標準時間”的需求逐漸顯現。充滿智慧的古人在“日出而作,日落而息”的計時方法上加以改進,依據“不同的時刻,太陽所處的位置不同,物體投射在地面上的影子方向和長短也不同”的這一原理,發明了初具現代鍾表雛形的日晷。

  日晷的功能十分強大,不僅可以判斷時間,還可以判斷月份和節氣。

環式日晷
環式日晷

  不過日晷的缺點也顯而易見,只能在看得見太陽的時候使用,在陰天或者夜晚的時候,就無法通過日晷來判定時間。

  然而,古人的智慧總是無窮的~~~火鍾和流體鍾應運而生。

  火鍾&流體鍾:古老的定時器

  火鍾和流體鍾只能測量時間間隔,但可以通過天文測時的方法確定開始計時的起點,結合火鍾和流體鍾的測量結果,則可以得知當時的具體時間。

  火鍾

  忽略風速等環境影響,同一種燃料燃燒的速度是均勻的。火鍾正是根據這一原理髮明的。

  古時官方使用的火鍾通常為“定時蠟”:在蠟燭上刻上均勻的刻度,隨著蠟燭的燃燒,就可以測定時間的長短。

定時蠟
定時蠟

  影視作品中出現的“一炷香”、“一袋煙”的時間實質上就是火鍾。

影視作品中出現的火鍾
影視作品中出現的火鍾

  在這裏要為大家介紹一下很有趣的古代鬧鍾——龍盤香鍾。在一個類似“龍舟”的物品上放置著一炷香,香上懸掛著幾根帶著鈴鐺的細線,隨著香的燃燒,到細線的位置時,會把線燒斷,使鈴鐺掉落在龍舟下方放置著的銅盤上,從而發出清脆的響聲,告訴大家時間。可以挪動細線的位置從而改變“叫醒”人們的時間,這大概是人類歷史上最簡單的鬧鍾了。

時間科學館的香鍾(周先林攝)
時間科學館的香鍾(周先林攝)

  這個就和我們最開始提到的《長安十二時辰》中的“火鬧鍾”是一樣的。

  流體鍾

  我國古代主要使用的流體鍾是“漏刻”。漏刻由“漏”和“刻”組成,漏是指在盛水的壺上有一個小孔,水會一滴一滴的從水中流出;刻就是指浮在水面上的刻度尺,隨著水面的下降,刻度尺逐漸下降,可以指示時間。最常使用的漏刻是“一刻之漏”,我國古代很早就將一晝夜分為一百刻,其中一刻就是指滴完一壺水的時間。

多級漏刻
多級漏刻

  但是漏刻有一個很明顯的缺點:隨著水的流失,水位下降,水壓就會減小,水滴下去的速度就會隨著減小,這樣“刻”指示的時間就不準確了。於是就有了多級漏刻。多級漏刻,只要保持最後一級水壺的水面基本不變,這樣水就可以均勻的滴入到裝著刻度尺的壺裡,刻度尺緩慢上升,就可以準確的指示時間了。

  漏刻應用最多的場合就是古代軍事活動,但如果作戰時天寒地凍,水易結冰,漏刻就無法使用,沙漏鍾便應運而生。

  沙漏的製造原理與漏刻類似,它是根據流沙從一個容器漏到另一個容器的週期現象來計量時間,由於擺脫了水壓的限製,沙漏比漏刻要精確很多。最著名的沙漏當屬元朝詹希元發明的“五輪沙漏”,其在漏鬥中裝滿沙子,沙子流出推動輪子旋轉,最後一個輪子有指針,可以指示時辰。該沙漏脫離了輔助的天文儀器,已經獨立成為一種機械性的時鍾結構。

五輪沙漏
五輪沙漏

  機械鍾:與古代中國失之交臂

  在機械鍾的發展史上,讓人最扼腕歎息的應該是中國。早在北宋時期,蘇頌發明的水運儀象台中就用到了機械鍾的核心——擒縱機構。然而,當時並沒有引起朝廷的重視,其發明者蘇頌也沒有傳下詳細資料,這使得我國白白喪失了一次機械鍾發展的機會。

  歐洲的機械鍾誕生於13世紀,比我國的水運儀象台晚了整整三個世紀,依據的是“單擺的等時性(單擺擺動的擺角小於5度時,擺長固定,則其擺動週期一定)”原理。最早傳入我國是在明朝萬曆年間,獻給萬曆皇帝后,他極為欣賞,幾乎日日觀賞,夜夜撫摸。於是,馬上發佈召令,成立專門製作機械鍾的宮廷造辦作坊,專供他和皇親國戚及心腹大臣使用。

擺鍾的工作原理
擺鍾的工作原理

  現代鍾表:你用過幾個

  電子錶

  20世紀,人們發現了電磁振盪現象,並以此為基礎發明了電子錶!

  第一代電子錶利用磁場推動機械鍾走時,電池給振盪器提供能量使其發生並維持振盪,振盪器磁場的週期性變化作用於擺輪上的永久磁鐵,推動擺輪來回擺動,帶動指針轉動,以此指示時間。每天的誤差約為15s;

  第二代電子錶增加了音叉進行穩頻,使整個振盪系統的振盪頻率取決於音叉的振盪頻率,將誤差降為了每天在5s以內;

  第三代電子錶使用石英晶體進行穩頻,產生非常穩定的32768Hz頻率信號,通過集成電路變換成每秒振盪一次的信號,進一步提高了計時精度;

  第四代電子錶,機械結構已經減少到最小程度,用集成電路代替齒輪,代替指針的是發光二極管或者其它顯示元件,每天的誤差不到0.1s!

第四代電子錶結構
第四代電子錶結構

  電波鍾

  電波鍾被稱為新一代智能鍾表,其工作原理是:在石英鍾表內部放置了一台接收機,可以接收由中國科學院國家授時中心位於河南商丘發射台發出的標準時間信號,從而進行自動校準,精度可以達到亞毫秒量級。

各式各樣的電波鍾
各式各樣的電波鍾

  原子鐘

  原子鐘應該算是目前計時精度最高的測量儀器了,其工作原理就是利用原子的振盪頻率來計時。各個國家標準時間的維持依靠的就是原子鐘組(多台原子鐘),常用的原子鐘有氫鍾、銣鍾、銫鍾、鍶光鍾等。原子鐘的精度很高,推算每2000萬年可能才慢一秒。頻率穩定度最高的是鍶光鍾,它的準確度相當於1.38億年都不差一秒,目前科學家們還在繼續研究進一步提升其準確度的方法。

守時銫原子鐘
守時銫原子鐘

  脈衝星計時!

  脈衝星計時是近兩年比較熱門的研究話題。脈衝星,誕生於超新星爆炸,是處於快速自轉狀態的中子星。現在己知約2600顆脈衝星,幾乎全部位於我們的銀河系裡面。它們像燈塔一樣,發射出的光束週期性地掃過地球,而且週期相當穩定,利用脈衝星的這一特性,可以建立高精度的時空參考架,有可能會比原子鐘的長期穩定度還要好!

脈衝星
脈衝星

  期待脈衝星計時早日從研究走嚮應用,將時間的測量提升又一個台階!

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