在之前的文章中我有介紹過最簡單的水力計時裝置——廣口瓶水鍾，這是相應的其他水鍾或者計時裝置中來看最簡單的一個；在接下來及以後的文章中，筆者會為大家一點點的介紹在阿巴斯王朝（公元750年——1258年）時期在阿拉伯世界中的眾多很有才華的科學家、發明家當中的一員：艾爾·加扎利的在那個時代的經典發明中的水力計時裝置和蠟燭計時裝置，其中的大部分成品都被記錄在1250年成書的《精巧機械的製造知識》一書中。
在之前的文章中曾經提到過這批計時裝置出現的背景，現在文中再做一點補充，阿巴斯王朝，在中國國內的史料中被稱為“黑衣大食”，而且，這一時期的阿拉伯帝國無論是經濟實力，軍事實力還是國土面積，都遠遠超過了其之前的王朝。因此，領地的擴張與經濟的繁榮給王朝帶來了大量的財富，同時，這也為科技，文化的飛躍做好了準備，更因為在公元10—11世紀的百年翻譯運動中。阿拉伯帝國，阿巴斯王朝得到了大量的來自西亞、歐洲、希臘甚至是埃及的大量書稿與文化留存，在經過了一個世紀的百年翻譯運動後，阿巴斯王朝的文化領導層中開始對其文化與經濟自行革新，並在其國家發展至12世紀——13世紀初期時開始湧現出了包括艾爾·加扎利在內的大批新鋭發明家和其成品。
而在本文中出現的這一台水力天文鐘，全鍾會有一個相對的比例，而且還是相對成熟的擁有大量機械聯動和報時機構的天文鐘。這樣的帶有天文演示的水力計時裝置，在全書中只找到一台，而與其有相似的報時機構的水力鍾還有一台。並且這與“廣口瓶水鍾”相比要複雜得多，並且與第一篇提到的“大象水鍾”也有着不一樣的動力結構。
這一台水力天文中，使用的同樣是重力，浮力原理來使鍾運作，其在設置時就是一面單邊的牆，或者叫城牆，在城牆的正面，下方有一排樂師，其由兩名號 手（笛手），左右一邊各有一名手鼓師，中間的雙錘鼓手和兩個鈸者組成，它們是每到6時時開始進行演奏以表示6時的報時，並且在6點，即計時過程經過一半後的每三個小時會演奏一次直到12時。因為有這樣的獨特的計時習慣而不是每一個小時都加入演奏，學者在後期的研究中發現這是要在日出和之後的時間做出分界而使用的，有學者認為這可能與伊斯蘭教的禮拜習慣有關，因此推測這枱鐘可能是用於置於空曠處並特定時間提醒穆斯林信徒們按時禮拜的特殊的計時裝置，因此，這台水力天文鐘也會被稱為“喚禮鍾”。
在樂師的兩邊分列有兩根支柱，在支柱的上面分別架有一個突出的台子，台子上是一隻敞口圓腹的瓶子，瓶中有一隻銅鐃並且在瓶底有通道，在瓶子的上方的牆壁中分別有一個凹入牆壁的龕，並且在龕中有一隻立着的獵鷹，每過一個小時，兩邊的獵鷹會同時將身體探出龕中，並且從其口中落出兩顆銅球，落入龕前面下方的瓶子中，銅球落在瓶中的銅鐃上發出聲響來報時；在龕的上方有一個長排的長條，其被分為12個小窗，並在每一個小窗上面還有一個空口，有一個新月在最左邊用於指示時間；在整個水鐘的最頂端有一個大圓盤，圓盤上有太陽，月亮的運行軌跡和黃道十二宮的運行指示；在樂師的中間有一個半圓，其被分成12個小圓，每一個圓上都嵌有一塊玻璃，通過看玻璃的明暗來判斷太陽在一天中的運行位置（圖1）。
圖 1 水力天文鐘
在鐘的背面，右邊有一根與牆幾乎一樣高的管型水箱，其在製作時分成4節，並在安裝時逐節安裝上去，水箱中的水可以支持整個水鍾運作一晝夜，並且在其頂端有一個銅製的中空浮筒，其在水箱中可以漂浮，浮筒上連接有繩索，繩子通過滑輪連接到一個大的繞線輪上，與此輪同軸的另一個輪上也繞有繩索，用於牽引其上方的時間指示機構和報時機構，第二個輪上的繩索與輪上方的滑車相連，並且第二個輪子在製作時被去除了一半的面積，用於與前方的12個玻璃圓片對應指示晝夜情況；小滑車前面伸出一根半月的形狀，用於在正面指示時間；其在滑車上還有一根立柱，用於在指示時間的同時進行報時，在滑車的另一邊也有一個配重以用於平衡。在滑車的上方的12個分區中都分別一上一下分成兩個層次：上層是一個由兩扇小門組成的門框，門框的上面掛有一塊有人像的木板，並且板是被一個小釘子掛在上面的，可以輕輕一推就會從釘子上滑落；在板上有一根繩子連接到上方。此處插入一個介紹：在剛才提及的的12個分區的上方有一個由一整塊木頭製成的特製木槽，其被刻上了24個獨立的斜槽，並且每一個斜槽的最前端還有一個洞，那些斜槽兩兩排列，兩個一組，共有12組；每一個斜槽中都會有一個銅球，用於最後從獵鷹口中掉出報時；並且在每一組斜槽的前端都會裝有一個擋片，並且擋片的軸都裝在同一邊，在每一個擋片後都會伸出一根小棒，其末端有繩索與每一個其正下方的之前提及的人像板相連，用於釋放銅球。並且，在裝銅球的木槽與下方的12分區之間還有一個並列的兩端高，中間低的木槽用以接住從上方釋放出的銅球；並且在中間的孔下有兩個分享兩邊的獵鷹的銅管（圖2）。獵鷹用青銅鑄成，並且做得儘可能的輕，其頭背後有一個孔與剛才的銅管相連接，並且其口中有一節三通管，用於使其向前傾，並且獵鷹的腳上還有配種砝碼，可以使其在前傾並吐出銅球后被拉回（圖3）。回到12分區的結構中來：每個人像都被掛在高處，並且可以被滑車上的立杆推下，在人像牌上連接有繩索與上方的擋片相連，用以釋放報時的銅球；每一個人像牌下方都有一個裝有兩扇門板的門框，門板是關閉的，並且，在每一個門框下方有一個小窗口，其上有一個翻板，上面的兩面用不同的顏色標明瞭所代表的時刻。翻板用一個小機關固定住，並在時間到時翻下，變換板上的顏色。並且在第6、9、12時的人像牌上還掛有一個額外的配重物，用以對之後的機關進行觸發。
圖 2 水力鍾背面圖
圖 3 獵鷹構造
現在把目光下移，在柱狀水箱的底端有一隻水閥，形狀與結構與當代的水龍頭相似，並且在水閥的前面有一個節流閥，這是控制水流以調整整台水鐘的運行速度的，其結構會在下文中詳細介紹。在節流閥下方有一個圓形帶邊的水盤，水盤的下面有一根軸，使得整個水盤可以圍繞軸來轉動。並且，在水盤的前方裝有一根導管，在導管的前面，有一個雙頭的分頭，以把水分向引導；並且，在水管分頭的下面還有一個隔成三個分區的水箱，在水箱的底部有一個長扁的水槽，每一個水箱中流出的水都會流到下面的水槽中，在水槽邊上還有一根導管，可以把水引向下一段。在三個分隔的水箱的底部都一隻錐狀的水塞，每一個水塞上都有一根導線，而每一根導線都會穿過一個相應的導輪，連接到之前提及的掛在6時，9時和12時的人像牌後面掛的配重砝碼上，並且每一根導線都穿過了導管上的固定的環中，這樣一來，當第6時的配種砝碼與人像牌一同落下時，它會將線扯緊，提起水箱中的水塞，同時，在導線被扯緊時，導線會將水管轉到第二個水箱中，並開始對第二個水箱進行蓄水。每一個水箱在三小時中都會蓄滿等量的水，並且在第9時時，第9時的人像牌上的配重砝碼與人像牌同時落下，扯緊導線，拉起水塞，並將導管轉向最後的一個分隔的水箱中；在此要重點提到的是：在最後一個水箱中，其水塞上的導線並沒有連接到導管上，而是直接將導線連接到第12時的人像牌上的配重砝碼上，因此，當最後一個配重砝碼被推下時，雙頭導管並不會轉動，而是水塞直接被拉起，將最後一個水箱中的水放入到下方的水槽中（圖4）。
圖 4分隔水箱與其控制系統
當水從下方的水槽中沿導管流出後，會流到一隻裝在一根長軸的水輪上，並且在長軸上還裝有數根銷釘，在水推動水輪轉動時長軸也會轉動，並且其銷釘在轉動中會撥動前面伸出的連桿，連桿被撥動時會帶動前面的樂師擊鼓擊手鼓和擊鈸，以此來發出聲響報時。在水輪下方還有一隻水槽，當水從水輪上流下後，會匯入水槽中，沿水槽上的導管流入到一隻密封箱中，在密封箱的上板處裝有一隻導管，在導管的末端有一隻氣哨，置於前方的號手（笛手）的旁邊；並且在密封箱的下板上還裝有一隻U形的虹吸管，用於在水裝滿時將水全部排出。因此，當水從水輪的下方的水槽中流入到密封箱中時，空氣也會被壓入上方的導管中，當空氣衝擊氣哨時會發出聲響。當水漫過虹吸管的U型彎後，會被全部從密封箱中抽出，水從密封箱中抽出後流到密封箱下方的水箱中，以供下次再進行換裝（圖5）。
圖 5 水輪、樂師和笛手的運動構造
在全部的計時過程中來看，當計時開始時，柱狀水箱中的水會裝滿並開始定量放出，隨着水箱中水位的下降，水面上的銅製中空的浮筒開始下降，並通過其上連接的繩索帶動第一個繞線輪轉動，而與之同軸的另一隻繞線輪也會同時轉動，並且拉動輪子上的繩索牽引放置在其上面的滑車，滑車向前運動時，其上連接的半月形指示針也隨車向前，同車連帶的立柱也在第一個小時時推下第一塊人像牌，人像牌落下時，一方面將其下方的門板撞開，並且頂開卡鎖機關，將翻板放下，翻版變換顏色；另一方面，在人像下落時拉動了上方的擋片，擋片打開，釋放了木槽中的兩顆銅球，銅球通過木槽和其下方的管道進入到兩邊的獵鷹的頭內，獵鷹的頭部重心發生改變，使得兩隻獵鷹同時向前傾，銅球其嘴中落入到其下方的瓶中，銅球落在瓶中的銅鐃上發出聲響，以此來報時。在之前計時的5個小時中，這台水鍾都是以這樣的方式進行報時的，在第6個小時及其以後，下方的前台上的樂師才會加入到報時的行列中來，即在6時之前，節流閥前方的水盤通過導管將水蓄入第一個分隔的水箱中，並在第6時時，第一個水箱中的水已經將近蓄滿，並且第6時時，水才會被放出，推動水輪帶動前方的樂師進行奏樂，並且在6時後的每三個小時，即9時、12時的時刻中，除了獵鷹可以報時外，樂師都會在獵鷹吐落銅球后開始奏樂來報時，相對應的結構已經在前面的文中提及。
圖 6 天文指示盤
在此處要提一個關於鐘的上方的天文，日、月的軌道運行（圖6）。在剛開始研究這類水鍾時，我本以為上方的天象系統是與下方的報時機構向連接的（或者説希望這樣）；但是，再往後的包括在天文指示盤的研究當中，我發現這枱鐘上的天文演示盤實際上是由人工來使其運轉的，而且，其在天文指示盤的基本構造實際上是一塊帶有日月的運行軌道和黃道十二宮圖案的圓形木板，其軸連接到後方，並在其上有另一個標記孔的圓盤，而當一晝夜完成後，負責專門看管這台水鐘的人把其中太陽與月亮的位置作變動，並且將一切的物件歸位，並且把水放回柱狀水箱中，這樣的有相對人工回位與人工調整的操作對於現在而言當然不可以用自動化的鐘表分類將其歸類，但是在11—13世紀的阿拉伯帝國，乃至放眼全世界，甚至是歐洲，與其理念和運行水平相近的同時代器械是幾乎沒有的，因此，將其放在當時的歷史背景與歷史環境中而言，這樣的水鍾已經是相當先進且相當成功的了！
圖 7 節流閥
除了介紹這枱鐘的基本日常運作的流程和其結構之後，要重點提及的是在出水口前方設置的全鐘的運行的核心的控制機構——節流閥（圖7），需要特別在文中提出來講的，是因為這一結構十分巧妙的將鐘的運行進行了控制，使得鍾在一年內中根據太陽的日出日落的時間的改變來調整其運轉速度，並且精確地控制了每一天的日出，日落的時間，這使得鐘上所指示的日出、日落的時間與太陽世紀的日出、日落時間一致。例如：在夏至日時（6月22日）太陽的日出時間最早，日落時間最晚，故白晝所佔的時間最長；夜晚所佔的時間最短。在夏至日後，日出時間逐漸推後，日落時間逐漸提前，故在白晝所佔時間縮短。黑夜所佔的時間加長；一直到冬至日（12月22日）時，日出時間最晚，日落時間最早，故白晝所佔時間最短，而黑夜所佔的時間最長；在春分日（3月21日）和秋分日（9月23日）時，日出，日落時間相持平且晝夜所佔時間相等，即晝夜平分。要在晝夜時間和日出日落的時間中調整整座鐘的運行速度：艾爾·加扎利在他的設計中加入了節流閥的調節機構，這使得每天的水的排出速度都不一樣，以此來對鐘的運行速度進行控制，並且使其所指示的時間與當日的日出，日落的時間相對應。
要達到上文所提到的效果，艾爾·加扎利使用的是活動式的節流設計。其節流閥是由4個基本部分構成，其後方有一個環，在環中有一個可以轉動的盤，在盤上有12個大的分區，每一個大的分區中又分成6個小分區，而在每一個小分區中還被分為5格，每一個分區都被這樣劃分，因此，在盤上一共有360個小分格，每過一天要人工轉動一格，在其中心處有一根插管，其管直通到前面，並且在管上有一根銅的外管，外管前有一個環，在盤前面還有一個帶半圓的外殼。在轉動底盤時，水量會隨之相對的遞減，並且在對其進行準確的校準後，每一天的水量和水流速度都會與當天的日出、日落的時間相對應，最終，在完成後，這樣的裝置在全部的鐘當中起到了非常重要的作用，因為這枱鐘已經不再是單純的計時鐘，而是變成了一台可以調節其運行速度和運行週期的，並且根據太陽的運行來實施運行，這就將這枱鐘昇華成了唯一一台通過調整其運行速度來完成其週期你循環變化運行的天文鐘性質的計時裝置。
到現在來看，雖然與之前的出現的中國宋代水運儀象台（公元1088年）和後期出現的歐洲大型機械鐘與鐘樓，鐘塔（公元13世紀——15世紀）相比，這台天文鐘仍然需要有多人專門看管，並且還要在相對的週期中對整個計時裝置進行重置，這些動作尚不可以通過機械的運行進行重置循環，但將其放在當時的時代背景和時代環境中來看，在全世界的範圍內，對鍾或計時裝置的研究除了阿拉伯以外都相對處於停滯，甚至是退步的狀態，縱觀全世界的文明聚集地，正如我之前提到過的：中國中原地區，水運儀象台幾乎被毀，並且仍然處於與北方少數民族政權和蒙古人的戰亂中，完全無法抽身於鐘錶的研究；而在西方的歐洲，修對於中世紀的黑暗與科技發展最緩慢的時期，從此來看，相對文明發達的阿拉伯地區的這類水力天文鐘擁有其相對的特色和獨創性，從這樣的觀點來看，對於其在運行中需要有大量人工作為維護，也是可以理解的，因為在當時的阿拉伯文化氛圍中，是可以接受這種人工在一台水力計時裝置中的運行中佔有相對多一點的比例的。因此，在這枱鐘的研究中，也可以理解剛才提到的情況，也可以將其理解為當時的計時裝置的一個特點。
以上就是對於水力天文鐘（喚禮鍾）的全部結構與功能的介紹，總體來説，這枱鐘的結構相對於之前的廣口瓶水鍾來説已經有了十分長足的昇華和發展，雖然基本的原理都相似，但是這枱鐘的報時與調速機構其實是在廣口瓶水鐘的基礎上的技術革新。而這類水鍾與大象水鐘相比有時對於新型驅動結構的探索與研發，推出了新的驅動結構，並且將計時的天文與準確性提升到了新的層次。這也是在艾爾·加扎利的《精巧機械的製造知識》一書中的唯一一台帶有天文演示的計時機械。以此文作儘可能詳盡的介紹，並向各位同道中人撰文分享。
本文為轉載，不代表立場。
時髦風
