郭红锋《自制日晷测时间》中的日晷仪模板
然而日晷的使用又有着很大的局限性,只能在有太阳的时候使用,那如果晚上和阴雨天该怎么办呢?水钟的发明正是作为日晷的补充,在中国古代水漏又被叫做“漏刻”、“漏壶”。根据等时性原理滴水记时有两种方法,一种是利用特殊容器记录把水漏完的时间(泄水型),另一种是底部不开口的容器,记录它用多少时间把水装满(受水型)。
中国的水钟主要有沉箭漏(泄水型)和浮箭漏(泄水型与受水型并用)。沉箭漏十分古老,也较为简单。它只有单壶,壶的下部有流管,壶中有一直立的浮在水面的箭杆,上有刻度,此即刻箭,又称箭尺。使用时,壶中水通过流管不断泄到壶外,箭尺便逐渐下沉,以指示时间。由于是单壶,壶中水位在滴泄过程中会逐渐下降,从而导致流速不均,故应不等距地分划箭尺的刻度:越接近下端,刻度越疏;越接近上端,刻度越密,这样才能够表示相等的时间间隔。
沉箭漏
浮箭漏的出现晚于沉箭漏,而性能优于前者。它由供水的漏壶、受水并放置箭尺的箭壶两部分组成。使用时,漏壶的水通过流管不断泄入箭壶,箭尺便随箭壶水位的升高而逐渐上浮。由于箭尺不放在漏壶中,故可以采取措施来保持漏壶水位的稳定,从而导致流量的稳定。而箭尺的刻度也因此可以均匀分划,并实现无间断的长时段计时。
二级补偿式浮箭漏的出现更迟,结构也略复杂。它的漏壶有上下两级,当下级漏壶向箭壶供水时,上级漏壶则为下级漏壶补水,从而提高了漏壶水位的稳定度和计时的准确度。较高级的浮箭漏可以有数个补偿壶 (包括漫流壶) , 多级供水 , 进一步保证流量的稳定 。
多级补偿式浮箭漏
制作一个简易的水钟也很容易
自制简易水钟
然而不利用现代的计时工具如何对水钟的刻度进行校正又是一个难题,那古人是怎么做的呢?
以唐朝为例,在唐朝,刻漏分为昼漏和夜漏,共计一百刻,有专门的官员负责昼夜计时工作。随着季节的变化,昼夜长短也发生变化。冬至之日,昼漏四十刻,夜漏六十刻。夏至日,昼漏六十刻,夜漏四十刻。春分和秋分两日,昼夜各五十刻。秋分以后,白昼减少,黑夜增加,夜漏“凡九日加一刻”;春分以后,黑夜减少白昼增加,则夜漏“九日减一刻”;按照现在一天24小时的算法,一刻相当于14分24秒。另就具体计时而言,夜晚最为重要。“候夜以为更点之节。每夜分为五更,每更分为五点。更以击鼓为节,点以击钟为节也”。由于晨昏朦影的关系,在日出前一段时间天就亮了,日落后的一段时间天还没黑,于是古代天象家对天明和天黑做了明确规定,日出前二刻半为天明,日入后二刻半为天黑。具体为刻漏校准的做法就是在日落后二刻半为夜漏上水,日出前二刻半为昼漏上水。
与此同时,对“日中”的测定也被作为重要的参考。“日中”,即正午,指太阳到达中天之时。此时的日影最短,最清晰,指向正北(北回归线以北地区),白昼的前后两部分——上午与下午再次平分。“日中”是一个明确可靠、易于测定的时间点,不像日出、日落那样受季节变化的影响,因此也被用来校准水钟。《史记·司马穰苴列传》中讲到了春秋末年,由于监军庄贾没有在约定好的日中之时来军营受命,被齐国将军司马穰苴依军法斩首的故事,司马穰苴用了“立表下漏”的计时方法,即将圭表和刻漏联用,利用圭表能够测定中午时刻来校准刻漏。
可能很多小伙伴要说了,你让我把日晷对准正北,但我根本就分不清东西南北,你说这么多等于白说。