渾儀&渾象

張衡在《渾天儀注》一文中寫道：「渾天如雞子，天體圓如彈丸。地如雞子中黃，孤居於內，天大地小。……天之包地如殼之裹黃」。天就像一個雞蛋，大地像其中的蛋黃，天包著地如同蛋殼包著蛋黃一樣。這是對渾天說的經典論述之一。

渾天說還認為天球北高南低，繞通過南北天極的軸旋轉。垂直於南北極軸把天球平分成南北兩半的大圓就是天赤道。與赤道斜交成大約24度角的大圓是黃道，太陽 在黃道上運行。過日心並與天赤道平行的圓是太陽的周日平行圈，它代表著太陽每日在天空中的運行軌跡。天球繞南北極軸旋轉一周就是一日。夏至日，太陽處在黃 道最北點，太陽的周日平行圈一大半在地上，一小半在地下，表示著太陽在地上的時間多，在地下的時間少，日出在東北方，日落在西北方。冬至日，太陽處在黃道 最南點，周日平行圈有一大半在地下，一小半在地上，太陽在地上的時間少，而在地下的時間多，日出東南方，日落西南
渾天說在中國天文學史上佔有重要的地位，對中國古代天文儀器的設計與製造產生了重大的影響，如渾儀和渾象的結構就和渾天說有著密切的聯繫，對天文學的有關理論問題的解釋也產生了重大影響。

渾天儀又稱渾象，是我國古代研究天文的主要儀器，據說這種儀器起源很早，在堯舜時代就有，但是製作比較完善，在史書上有比較明確的記載的，張衡算是第一位。

張衡的渾天儀是根據渾天說的理論演繹而來，他為了證明渾天說宇宙觀的正確性，而於東漢順帝永建五年（西元117年）設計製造了一座渾象。

正確的說，渾天儀是一個用銅鑄造的空心圓， 面有幾層圓圈，各圓圈可以轉動，轉動的方式以四分為一度，周天一丈四尺六寸一分，上面刻了赤道、黃道、南北極、二十四節氣、二十八星宿等。如果用手撥動，就好像看到天上的星星在運動一樣。
「怎樣可以使渾天儀能自動旋轉呢？」張衡想起小時候看到水排轉動的情景。「可以用水力來推動！可是，怎樣使渾天儀一天轉一圈呢？」張衡想到用漏壺滴出的水來帶動渾天儀，使渾天儀轉動一周剛好是一個晝夜。


§ 渾儀結構
渾儀的主要部分有三重，包括六合儀、三辰儀和四游儀，此外並有窺管和座架。

六合儀：位於最外的一重，由三套聯結在一起的環組成，固定不動。

天元子午圈：為正立的雙環，兩面都刻著周天度數，沒有數字。

地平圈：為平臥的單環，外弧面刻干支八卦表示方向，內面刻分野，環周有水渠，用來定水準。

天常赤道圈：為側立的單環，上面刻著十二時一百刻，每時初中各四大刻一小刻。

三辰儀：位於中間的一重，由四套環組成，可以在六合儀內東西旋轉。

二至圈：為南北向的雙環，二面各從南極起刻半周天一百八十二度多。

二分圈：為南北向的單環，沒有刻度。

游旋赤道圈：為東西向的單環，去極各九十一度多，上面刻著二十八宿。

黃道圈：為雙環，與赤道圈相交為二十四度，內面斜刻著二十八宿。

四游儀：位於最內的一重，由一套環和天軸組成，可以在三辰儀裏東西旋轉。

四游圈：為南北向的雙環，環面從北極開始刻著半周天一百八十二度多。

天 軸：為南北向的雙條。

窺 管：為方形，貫於天軸中心，中有圓孔，管長與環齊，可以在四游圈雙環裏及天軸雙條中間移動。


原理基礎
渾天儀是利用齒輪與設計巧妙的水力〝滴漏〞，帶動渾象繞軸旋轉，使渾象的轉動與地球的周日運動相等，渾象每轉一圈，也就等同於天體自轉一圈。

〝渾天儀果真能觀測天象？〞當時的人們頗為懷疑。

張衡為了證明他的渾天儀真的能觀測天象，便進行了測試。當他在室內依據渾天儀顯示說出星星的位置時，竟與在戶外觀天象的人所看到的星象相吻合，人們始相信渾天儀真的能夠準確的測量天象。我們可以說，張衡的渾天儀是根據以往的製作研究改進而成，是成熟度相當高的作品。

整座水運儀像台分為三層，分別為最底層的動力系統，以水力傳動，故稱為「水運」，第二層的渾象是模擬天體運轉的儀器稱為「象」，而位於最上層的為觀測天體運行的渾儀稱為「儀」，以三個主要系統構成天文觀測台，是世界上最早的天文觀測站。

1.底層
擒縱系統：
如同整座儀象台的心臟，藉由各部系統的運作牽引齒輪傳動，使整座儀象台運轉。

運動方式：
位於樞輪上的受水壺在承接水量時，並不能穩定的受水，因此一種名為「天衡」的裝置用 來避免此種情形發生，另外在受水壺下方裝置有兩組槓桿裝置，首先為樞衡與格叉，格叉主要是用來控制受水壺的活動橫條，當受水壺的重量大於另一方平衡重量用 的樞衡時，格叉被往下推使受水壺頃瀉同時壓迫關舌，此時天條牽引天衡打開左天鎖，左天鎖是用來控制樞輪向前轉動的卡筍，這時受水壺內殘餘的水藉由重力牽引 鬆脫的樞輪，樞輪向前傳動，受水壺錯位一格從覆上述動作。

打水系統：
如同整座儀象台的血管，主要由河車、昇水上輪、昇水上壺、昇水下輪、昇水下壺構成。

運動方式：
一開始由昇水下壺裝滿水牽引昇水上、下輪轉動將水從下至上帶動並倒入屬於擒縱系統的天河中，並經由天河將水倒入天池中，天池的主要功能為蓄水，並會定量的 流入位於下方的平水壺，平水壺底下裝置有泄水管及一固定口徑的壺嘴，平水壺的水藉由壺嘴來保持固定的水位及流量，並將水輸入位於樞輪上的受水壺，樞輪為一 直徑2.99公尺的轉輪，平均設置36只受水壺，當其中一只受水壺裝滿水時會造成樞輪兩邊失衡而牽引樞輪傳動，而當傳動時受水壺上的水就會頃倒至下方的退 水壺，而另一個受水壺會重覆上述步驟，如此週而復始不停傳動。

報時系統：
配合傳動裝置，利用人偶的敲擊聲及刻在 木偶身上的時辰報時。

2.中層
「渾象」在水運儀象台發明前即由蘇頌發明，渾象的外觀主要是由星圖構成的球體。中國人相信天是會轉動的，故渾象配合傳動裝置主要用來模擬星空的運轉，而進行天文的觀測方式主要是坐在渾象裏面。

3.上層
「渾儀」蓋利用觀測及座標等技術為主的測量器材統稱為「儀」，渾儀是由東漢張衡整合渾天學說所設計之天文觀測儀器，而被後來的蘇頌等人發揚光大，組合至水運儀象台上方，主要功用為配合中層渾象的觀測以達到最精準的觀測結論。
渾象是渾天家發明用來演示天球運動，說明渾天學說的一種儀器。最早的渾象是西漢耿壽昌製造的，而有明確記載的渾象當屬東漢張衡製造的水運。這架儀器 的主體是一個直徑四尺六寸的大圓球，球上畫有二十八宿、中外星官、赤道、黃道、北極常顯圈、南極常隱圈、二十四節氣點，整個球安裝在南北極軸上，可以繞軸 旋轉。
另外，張衡還根據一種傳說中的植物「蓂莢」， 發明了一種叫做「瑞輪蓂莢」的裝置與渾象相連接，它能在上半月中的每天升起一片葉子，下半月的每天落下一片葉子，這樣就可以隨著月亮的盈虧顯示出一個月中 日期的變化，相當於一個自動日曆。張衡還在渾象上裝了一套齒輪機械傳動裝置，利用漏壺中流出的水，推動整個渾象均勻地與天球做同步運轉。這樣一來，晝夜交 替，星辰出沒就和實際天象相一致了。
張衡的水運渾象是一個劃時代的發明，在當時已經具有了機械天文鐘和自動日曆的雛形，對後世自動天文儀器的製造產生了很大的影響。

渾儀

水運渾象圖

早期的民族，尤其以農立國的民族而言，歲時關係著農作的播種、生長與收割。因此，利用植物的生長與動物的行蹤來判斷季節變化，是早期農業生產必備的知識。但是由於氣候變幻莫測，這種物候授時法並不能保證年年相同，所謂歲差就是此現象，由此，觀象授時便因運而生。
　 　觀象授時即以星象的位置定春夏秋冬。而當人們對天文的規律有了更多的了解後，便能夠掌握回歸年的長度，而進一步預先推斷季節，並產生了曆法。 春秋戰國時代，由於政權更迭頻繁，占星家們大行其道，中國的天空頓時熱鬧了起來，王侯對恆星的觀測愈發熱中與重視，於是乎天文學獨立於曆法之外成為一門顯 學，從西漢到五代，天文學急速發展並趨於完備，以至宋元而達到鼎盛。
　　眾所皆知，天文曆法知識的取得根源於天文觀測，而天文觀測的進行依賴的便是觀測儀器了。天文儀器是人們研究天體運動規律的的得力工具，它的改良與創新大大的影響觀測的準確度與水平。