中國最早的機械鐘-水運儀象臺

宋元佑三年（公元1088年）在著名科學家蘇頌的倡議和領導下，一座杰出的天文記時儀器──水運儀象臺，在當時的京城開封制成。這是一臺把渾儀、渾象和報時裝置結合在一起的大型天文儀器，廣泛吸收了以前各家儀器的優(yōu)點，尤其是吸取了北宋初年天文學家張思訓所改進的自動報時裝置的長處；在機械結構方面，采用了民間使用的水車、筒車、桔槔、凸輪和天平秤桿等機械原理，把觀測、演示和報時設備集中起來，組成了一個整體，成為一部自動化的天文臺。

    水運儀象臺是十一世紀末我國杰出的天文儀器，也是世界上最古老的天文鐘。國際上對水運儀象臺的設計給予了高度的評價，認為水運儀象臺為了觀測上的方便，設計了活動的屋頂，這是今天天文臺活動圓頂?shù)淖嫦�；渾象一晝夜自轉一圈，不僅形象地演示了天象的變化，也是現(xiàn)代天文臺的跟蹤器械 — 轉儀鐘的祖先；水運儀象臺中首創(chuàng)的擒縱器機構是后世鐘表的關鍵部件，因此它又是鐘表的祖先。從水運儀象臺可以反映出中國古代力學知識的應用已經達到了相當高的水平。

    根據(jù)《新儀象法要》記載，水運儀象臺是一座底為正方形、下寬上窄略有收分的木結構建筑，高大約有十二米，底寬大約有七米，共分為三大層。

    上層是一個露天的平臺，設有渾儀一座，用龍柱支持，下面有水槽以定水平。渾儀上面覆蓋有遮蔽日曬雨淋的木板屋頂，為了便于觀測，屋頂可以隨意開閉，構思比較巧妙。露臺到儀象臺的臺基有七米多高。

    中層是一間沒有窗戶的“密室”，里面放置渾象。天球的一半隱沒在“地平”之下，另一半露在“地平”的上面，靠機輪帶動旋轉，一晝夜轉動一圈，真實地再現(xiàn)了星辰的起落等天象的變化。 

    下層設有向南打開的大門，門里裝置有五層木閣，木閣后面是機械傳動系統(tǒng)。 

    第一層木閣又名“正衙鐘鼓樓”，負責全臺的標準報時。木閣設有三個小門。到了每個時辰（古代一天分做十二個時辰，一個時辰又分為時初和時正）的時初，就有一個穿紅衣服的木人在左門里搖鈴；每逢時正，有一個穿紫色衣服的木人在右門里敲鐘；每過一刻鐘，一個穿綠衣的木人在中門擊鼓。 

    第二層木閣可以報告十二個時辰的時初、時正名稱，相當于現(xiàn)代時鐘的時針表盤。這一層的機輪邊有二十四個司辰木人，手拿時辰牌，牌面依次寫著子初、子正、丑初、丑正等。每逢時初，時正，司辰木人按時在木閣門前出現(xiàn)。 

    第三層木閣專刻報的時間。共有九十六個司辰木人，其中有二十四個木人報時初、時正，其余木人報刻。例如：子正：初刻、二刻、三刻；丑初：初刻、二刻、三刻，等等。 

    第四層木閣報告晚上的時刻。木人可以根據(jù)四季的不同擊鉦報更數(shù)。

    第五層木閣裝置有三十八個木人，木人位置可以隨著節(jié)氣的變更，報告昏、曉、日出以及幾更幾籌等詳細情況。 

    五層木閣里的木人能夠表演出這些精彩、準確的報時動作，是靠一套復雜的機械裝置“晝夜輪機”帶動的。而整個機械輪系的運轉依靠水的恒定流量，推動水輪做間歇運動，帶動儀器轉動，因而命名為“水運儀象臺”。