郭守敬在“百刻环内广面卧施圆轴四,使赤道环旋转无涩滞之患”,即在两环之间平放四个圆筒形的短铜棒,让两个接触面之间,由原来的滑动摩擦改变为滚动摩擦,旋转起来非常灵便。它可以说是近代滚球轴承和滚筒轴承的祖先。
郭守敬发明和应用的轴承,比西方文艺复兴时期达·芬奇(Leonardo da Vinci)设计滚筒轴承大约要早两个世纪。
3、赤道环安在旋转轴南端(求赤经值)
赤经数值,可以由安放在“旋转轴南端的赤道环”求出。这种把“赤道环”不放在旋转轴的正中腰而搁在南端的方法,在今天各国的天文台上安装望远镜的时候,还广泛地使用着。
4、简仪独立赤道装置(经纬仪、航空导航天文罗盘、大型望远镜赤道装置)
简仪的赤道装置与现代望远镜中广泛应用的天图式赤道装置基本结构是一致的。
简仪的设计独具匠心,尤其是独立赤道装置,对近代和现代仪器有着巨大和深远影响。
如近代进行工程测量、地形测量和实用天文测量所用的经纬仪,航空导航用的天文罗盘,它的方位角和仰角度地平装置与简仪属于同一类型,美国研制的现代大型望远镜的赤道装置,都可以看到它们借鉴了简仪的设计理念。
---------------------
赤道式装置是千里镜的根本
中国的浑天仪一直都是赤道式装置,据称西方的“古希腊浑仪”已经无人知道了,也就是没留下来资料,但是今天却把这件不知道的事情写的“清清楚楚”的!
据说在欧洲,首先系统地观测恒星方位的人是约西元前三世纪上半叶的古希腊天文学家阿里斯提鲁斯和铁木恰里斯,他们比石申约晚六十年,而所用的仪器,现在已经是一无所知了;
据托勒密(约90—168)《天文学大成》中的叙述,他们用的可能是以黄道坐标为主的浑仪。
要是西方用的是所谓的“黄道坐标系”的浑仪,好吧,就当做是真的,但是解决不了几个问题。
一、西方没法在太阳上去居住,怎么搞得出“黄道坐标系”的浑仪呢?
在古代,黄道比赤道难确定。因为恒星都是东升西坠的,所以黄道坐标不如赤道坐标观测天体运动方便。假如古代欧洲天文学家采用黄道坐标系统观测天象,这就妨碍了他们对宇宙形体的精确测量。
二、西方要是以“黄道坐标系”制造浑仪,那么也就是说,今天所有的赤道式装置的天文仪器,都只能是中国人发明的了,因为只有中国人有“浑天说”,只有中国人发明的天文仪器是赤道式装置。
简仪是按赤道坐标系统制造的天文观测工具,但通过数字计算完全可以求出黄道坐标系统的数据。
这种“赤道式装置”十分便于跟踪观测天体的周日视运动,因而一直到今天还在现代化的天文望远镜中采用着。
显然,赤道式天文仪器中的望远镜,也就只能是由中国人发明的了。
三、我们来看看中国的“天球-赤道坐标系”系统和浑天仪上的一常平架装置(陀螺仪“万向支架”)进行对比,大家会有什么感想呢?
浑天仪中的一常平架装置(陀螺仪,后世航海和航空中不可或缺的仪器)
“被中香炉”是中国古代能工巧匠充分运用重心及平衡等物理学知识创制的,是古代盛香料熏被褥的球形小炉。又称“香熏球”、“卧褥香炉”、“熏球”。它的球形外壳和位于中心的半球形炉体之间有两层或三层同心圆环。炉体在径向两端各有短轴,支承在内环的两个径向孔内,能自由转动。同样,内环支承在外环上,外环支承在球形外壳的内壁上。
炉体、内环、外环和外壳内壁的支承轴线依次互相垂直。炉体由于重力作用,不论球如何滚转,炉口总是保持水平状态。在唐代贵族的生活中,已经普遍地使用银熏球。唐代以前的熏球实物目前还没有发现。
《西京杂记》卷上记载:西汉时期“长安巧工丁缓者.......又为卧褥香炉,一名被中香炉。本出房风,其法后绝。至缓始更为之。为机环转运四周,而炉体常平,可置之被褥,故以为名”。
图 唐代葡萄花鸟纹香囊球(开口)
它的结构特点是,“为机环转运四周,而炉体常平”。这实际上是一常平架装置,“机环”由回转轴线相互垂直并交于一点的三个金属环构成,内环轴上悬挂炉体。由于各环转轴彼此制约以及炉体本身重心的影响,任何情况下炉体都不会倾倒。因此若在炉体内点燃薰香,香炉可置于被中,而不必担心香灰倾覆烧毁被褥。
根据史籍记载可知,被中香炉至迟在西汉时已经发明。二十世纪六十年代在陕西西安唐代遗址中曾出土制作精美的被中香炉和银熏球。
除被中香炉外,历代制作的类似装置亦用于取暖、娱乐等用途。而这种常平架装置,对后世航海和航空中不可或缺的仪器——陀螺仪的发明,有着非常重要的启示。
图 香囊球,无论如何晃动,香囊中的“香碗”都不会倒
最早的陀螺仪叫做机械陀螺仪,机械陀螺仪外面是一个万向支架,里面是一个小陀螺。万向支架的灵感来自中国古代的被中香炉。被中香炉有一个奇特现象是无论外面的支架如何活动,里面的炭火都不会洒下来。原因就是炭火盆架在万向支架里面。万向支架的作用就是能保证里面物体的平衡状态不被干扰。
被中香炉的这种结构完全符合现代航空航海中使用的陀螺仪原理。
陀螺围绕中心轴高速旋转起来能够站立,并且具有高度的稳定性,这种平衡很难被打破。陀螺的这种特性叫做定轴性。具有定轴性的陀螺和万向支架形成的装置就叫做机械陀螺仪。
罗盘就是悬挂在一种称为“万向支架”的持平环装置上。这样,无论有多大风浪,船体怎样摆动,也无论在怎样复杂的气流中,飞机如何颠簸,罗盘始终保持水平状态,确保正常工作。
据称,在欧洲,最先提出类似设计的,是文艺复兴时期的大画家、科学家达·芬奇(1452-1519),已较我国晚了1000多年。
据称,16世纪,意大利人希·卡丹诺制造出陀螺平衡仪并应用于航海上,使它产生了巨大的作用。
现代的飞机、导弹和轮船不论怎样急速在空中或海上运动,都能辨认方向,这是由于安装了陀螺仪的缘故。
飞机中陀螺仪的应用
陀螺仪发明后首先应用在飞机上,后来又被用在导弹上,采用陀螺仪确定方向和角度,就可计算出飞行路线,从而进行姿态控制。
陀螺仪在身边用途非常广泛。除了测量飞行姿态,只要是测量运动中的角度,并需要进行平衡校正的都用到了陀螺仪。
比如我们熟悉的手持稳定器、手机体感游戏、平衡车、VR眼镜里都有陀螺仪。陀螺仪给我们的生活带来了极大的便利和乐趣。
接下来,下面进行“天球-赤道坐标系”和陀螺仪的对比,会有什么发现呢?
图 天球-赤道坐标系 陀螺仪示意图