垂摇球仪

垂摇球仪是日本江户时代制造的和式时钟，属于摆钟的一种。其主要功能是记录摆锤的摆动次数以推算时间，内部设有动力源与传动装置，能维持摆锤持续摆动。在江户时代，这项仪器主要用于天体观测与历法修订，伊能忠敬进行全国测量时也曾携带使用。

## 构造与原理

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垂摇球仪的基本原理与摆钟相同，皆运用“摆的等时性”定律：当摆长固定且摆幅很小时，摆锤完成一次摆动所需的时间恒定不变。然而，仅有摆动结构的摆锤会因摩擦与空气阻力而逐渐停止，因此垂摇球仪配备了维持摆动的动力源与传动装置。相较于尺时钟等传统和式时钟，垂摇球仪的特色在于采用摆锤、独特的动力传动结构，并具备记录摆动次数的功能。其摆锤部分称为“垂球”（L），动力来源则为下方的“大锤”（W）（如图1所示）。此外，与一般摆钟不同，其显示的数值并非时刻，而是摆动次数。这与当时日本采用不定时法有关，由于不定时法不便记录天体观测数据，若直接显示时刻反而造成困扰。

以下为垂摇球仪的构造说明。需留意不同垂摇球仪的细部构造可能存在差异。零件名称主要依据和式时钟学会1983年（昭和58年）的报告书，其命名则沿袭1844年（弘化元年）《宽政历书》的记载。

### 动力与传动系统

如图1所示，动力源“大锤”（W）借由重力带动最下轴（与套轴G、最下轮C同轴）旋转。动力透过三级齿轮（C→D′、D→E′、E→F′）逐级加速，齿数比皆为10:1，因此最下轴每旋转一圈，爪车（F）的轴便会旋转1000圈。

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### 擒纵机制

爪车（F）的旋转动力，透过称为“促球机”的擒纵器传递给垂球（L），以维持其摆动（运作原理详见图2说明）。擒纵器主要由一对皇冠状的爪车（图2的F1, F2）和一个随垂球摆动的“钢铁片”（图2的I）组成。钢铁片在每次摆动中从两个爪车获得动力补充；同时，钢铁片每完成一次往复摆动，两个爪车皆会转过一个棘爪的距离。由于爪车有10个棘爪，因此垂球摆动10次，爪车便会旋转一整圈。来自爪车的动力经由擒纵器的一系列杠杆（如图3所示的I、J、K部件）传递，最终推动悬挂垂球（L）的绳索，使其以固有周期持续摆动。此周期反过来也决定了爪车及各级齿轮轴的转速。

### 计数与显示

最下轴、第二轴与第三轴分别连动指针（图1的C″、D″、E″），与度盘共同显示垂球的摆动次数。计数规则如下：

- 第三轴指针 (E″)：每100次摆动转一圈。
- 第二轴指针 (D″)：每1000次摆动转一圈。
- 最下轴指针 (C″)：每1万次摆动转一圈。

最下轴下方还设有两枚称为“计数轮”的星形转盘（图1的T1、T2），用于记录更大的摆动次数：

- 第一计数轮 (T1)：代表10万次摆动。
- 第二计数轮 (T2)：代表100万次摆动。

凭借此机制，垂摇球仪可显示高达100万次的摆动。由于垂球一天约摆动6万次，连续运作约16天后显示便会归零。

### 其他功能

垂球（L）与大锤（W）收纳于主体下方的箱盒中。箱内附有标示不定时法时刻的“时辰表”，大锤上则装有指针。装置运作时，大锤会匀速下降，若每日定时为大锤上弦，便可根据指针在时辰表上的位置得知大概时刻，此机制与尺时钟相同。

此外，垂摇球仪配备“垂准器”以确认水平。要使垂摇球仪正常运作，保持装置水平至关重要。在所有和式时钟中，仅垂摇球仪具备此装置。

### 使用方法

若要从垂摇球仪推算时刻，需预先测得正午时的摆动次数，以及一天（一太阳日）的总摆动次数，然后记录目标时间点（如日食始末）的摆动次数即可。使用垂摇球仪时，必须定期为大锤上弦。《宽政历书》记载为每日正午进行。但上弦期间动力会中断，当时的人们可能用手指按住第二轮（D）等方法防止垂球停止，后来也出现了配备动力维持装置的垂摇球仪。

## 历史

### 传播

16世纪后半叶，伽利略·伽利莱发现了“摆的等时性”定律。荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯运用此定律，于1656年发明了摆钟，此后欧洲的摆钟技术不断改良。当时的日本因锁国政策，西方科技难以传入，天体观测若需计时，多采用“百刻环”（日晷）或“漏刻”（水钟）等工具。1720年（享保5年），虽然部分解除了西学书籍的进口禁令，但摆钟技术并未立即传入。

将摆钟知识传入日本的关键，是1748年（延享5年）引进的书籍《灵台仪象志》。此书由旅居清朝的比利时耶稣会士南怀仁于1674年以汉文写成。书中“垂线球仪”一节简要记载了利用摆锤计时的方法，其附录《仪象图》中更绘有摆钟的图样。

### 诞生

天文学家麻田刚立与其弟子高桥至时、间重富阅读《灵台仪象志》后，便将摆锤计时法应用于天体观测。从1782年（天明2年）月食的观测记录中留有“垂球创用”的记载，可见当时已开始使用摆锤，这也是日本最早使用摆锤计时的记录。然而，仅凭书中方法，摆锤振动会因摩擦而停止。因此，他们不得不手动推动摆锤，或准备两个摆锤交替使用。

麻田刚立一派构思出能持续维持摆锤振动的机制，并将想法告知京都的钟表师户田东三郎忠行。户田随后制成此种时钟，初名“垂球仪”，后由平贺中南命名为“垂摇球仪”。1789年（宽政元年）观测日食时，已有使用垂摇球仪的记录。

1844年（弘化元年），高桥至时的次子涩川景佑撰写《宽政历书》，阐述宽政历的历法，书中也对垂摇球仪进行了总计37页（文字17页，图20页）的详细说明。关于垂摇球仪的发明者，《宽政历书》记为麻田刚立，但间重富的墓碑铭则称是重富所创，说法不一。此外，亦有观点认为此机制乃模仿西洋时钟，故垂摇球仪是否为日本原创，学界见解分歧。

### 使用

户田东三郎忠行以外的钟表师也开始制造垂摇球仪。间重富之子间重新亦制作了名为“一车垂摇球仪”的款式，上弦时的动力维持装置也随之出现各种改良。其总制造数量不详，但和式时钟学会在1983年的报告中推估：“总数加起来，是否有二十座都难说”。

当时使用垂摇球仪者仅限于部分天文学家和历学家，一般大众可能并不知晓，其应用领域主要为天体观测、历法修订及伊能忠敬的测量工作。在天体观测方面，大阪的羽间文库藏有间家的观测纪录，显示他们在观测日食、月食或太阳南中时，使用垂摇球仪计时。间家至少拥有三台垂摇球仪。

在历法修订方面，高桥至时与间重富主导宽政历修订时，首次将垂摇球仪投入使用。当时他们在江户历局和京都改历御用所两地观测天象，比较观测值作为修历依据。之后的天保历修订也使用了垂摇球仪。

伊能忠敬在制图工作中极为重视天体观测，为绘制《大日本沿海舆地全图》而进行全国测量时，只要天气晴朗，必定观测天象。垂摇球仪被用来测量日食、月食等现象的时间。由于垂摇球仪是以太阳南中为基准，计算至次日南中的摆动次数作为一日总摆动数，因此在观测日食、月食时，测量队会提前数日抵达观测点，观测南中并启动垂摇球仪。

此外，加贺藩曾利用垂摇球仪建立新的报时制度，并据此敲响时钟。此报时制度为加贺藩独有，因使用垂摇球仪，报时较以往更为精确。该制度始于1823年（文政6年），一直沿用至明治时期。

直到幕末，垂摇球仪仍在浅草天文台、间家及各地天文学家之间使用。但进入明治时代，1873年（明治6年）采用公历与定时法后，和式时钟便逐渐停用。根据1869年（明治2年）浅草天文台废止时的记录，其仓库中还保存着两台垂摇球仪。另有记录显示，明治时代成立的海军水路部曾使用垂摇球仪，但在1874年（明治7年）7月改用外国制的天文摆钟。

## 现存的主要垂摇球仪

由于垂摇球仪制造数量本就稀少，现存实物亦为数不多。

### 近江神宫藏品

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一位旅日美国游客发现了此垂摇球仪，并于1966年6月10日的漏刻祭上奉纳给近江神宫。现展示于近江神宫内的时计馆宝物馆，据称是唯一一座完整保存至今的垂摇球仪。此钟为户田东三郎忠行所造，外观为木制黑漆涂，箱盒正面宽18公分、高96公分、深29公分，大锤与垂球皆收纳其中。为便于观察垂球运动，箱盒左侧设有门。主体机械则安装在箱盒上方的背板上。

### 伊能忠敬纪念馆藏品

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千叶县香取市的伊能忠敬纪念馆共保存两台垂摇球仪，一台为伊能忠敬本人使用，另一台为其孙伊能忠诲所用。

伊能忠敬使用的垂摇球仪由户田东三郎忠行制作，约于1796年（宽政8年）经间重富转交给忠敬。木箱内贴有一张纸条，记载着制造年份与制造者。忠敬移居江户深川后，在自家设立天文台，购置各式观测仪器。1800年（宽政12年）的忠敬仪器清单中，便可见垂摇球仪之名。推测同年开始的全国测量所携带的亦是此台垂摇球仪。此外，《宽政历书》所绘的垂摇球仪也与此钟相似。

另一方面，忠诲使用的垂摇球仪上刻有“文政八乙酉春江府东神田住大野规行造之”字样，可知此钟为大野规行于1825年（文政8年）制作，当时忠敬已去世。与忠敬用款不同，其0至100及100至1000的指针安装在同心轴上。该钟还配备动力维持装置，以防为大锤上弦时垂球停止摆动。现存的忠敬用垂摇球仪缺少一根指针，且两台钟仅共用一个垂球及一个大锤，其原本归属已不可考。

忠敬使用的垂摇球仪，作为“伊能忠敬遗书并遗品一括”的一部分，于1949年（昭和24年）获认定为重要美术品。之后于1957年（昭和32年），“伊能忠敬遗书并遗品一括”获指定为重要文化财。值得一提的是，最初曾误将忠诲所用者指定，直到1967年，前国立科学博物馆的朝比奈贞一指出此错误，才将指定对象更正为忠敬所用款式。2010年（平成22年），两台垂摇球仪作为“伊能忠敬关系资料”的一部分，最终一同获指定为国宝。

### 高树文库藏品

此为加贺藩所用之物，当时称为“正时版符天机”。此钟在富山县内发现后，现收藏于射水市新凑博物馆的高树文库。根据箱底记载，此钟于1832年（天保3年）由金泽的钟表师与右卫门制作。国立科学博物馆收藏的一个名为“精密尺时钟”的箱盒，被认为可能就是此垂摇球仪的收纳箱。此外，据信为加贺藩使用的垂摇球仪，除高树文库藏品外，还有一座个人收藏的时钟（铭文“庆应元年 治动作”）和一座神奈川县中井町“江户民具街道”收藏的时钟（记载“文政八年”）。

### 美国博物馆藏品

华盛顿哥伦比亚特区的美国国家历史博物馆和伊利诺伊州罗克福德的钟表博物馆各收藏一台。两者皆是国立科学博物馆的佐佐木胜浩于1983年（昭和58年）发现。这两台垂摇球仪都经过改良，除了显示摆动次数外，还能显示时刻，但两者读取时刻的方法不同。此外，美国国家历史博物馆的垂摇球仪有三个显示摆动次数的度盘，而钟表博物馆的则有两个。

## 调查与研究

### 大谷亮吉的调查

1909年（明治42年）7月10日，伊能忠敬的遗品在东京帝国大学供明治天皇御览，当时担任解说的长冈半太郎也解说了垂摇球仪。1913年（大正2年），东宫（后来的昭和天皇）在千叶县立佐原高等学校参观伊能忠敬的遗品，推测其中也包括垂摇球仪。

1917年（大正6年），帝国学士院嘱托大谷亮吉出版伊能忠敬研究专著《伊能忠敬》，书中用一整个章节、共15页的篇幅介绍了垂摇球仪。大谷的记述是明治以后首篇关于垂摇球仪的详细论述。书中，大谷引用《宽政历书》等文献，指出尽管这些史料对发明者的说法不一，但都记载垂摇球仪为日本所创。然而，大谷对此提出异议，主张从惠更斯发明摆钟到垂摇球仪诞生已过130余年，期间西方观测仪器已传入日本，难以想像唯独摆钟没有传入。因此，大谷断定，垂摇球仪为日本原创之说“终究不过是夸大之词”（毕竟夸张之言に过ぎざるべし）。此外，大谷还调查了伊能忠敬使用过的垂摇球仪，并配图详细解说。

### 和式时钟学会的调查

大谷之后，垂摇球仪的专门研究一度沉寂，相关文献几乎都是引用或转引大谷的论述，其“非日本原创”的主张也为学界普遍接受。然而，后来有人对大谷的主张提出质疑，契机是1975年（昭和50年）7月23日拆解近江神宫所藏垂摇球仪一事。这次拆解因时间所限未能深入调查，但一些在场专家发现实物与大谷的记录存在差异，从而对其主张起了疑心。1981年（昭和56年），在有志之士的号召下，和式时钟学会成立。该学会随即收集垂摇球仪的相关资料，并调查、比较了现存实物。他们实际启动两台垂摇球仪测量，确认其结果良好。这些成果由浅井忠、户田光良、吉田嘉一整理为《和式时钟调查报告 垂摇球仪》，于1983年（昭和58年）出版。

该报告书否定了垂摇球仪是模仿西方的说法，指出大谷并未具体说明垂摇球仪模仿何处，且若真有被模仿的时钟传入日本，理应在垂摇球仪诞生前就用于天体观测。报告进而主张，无论是齿轮排列还是擒纵器结构，垂摇球仪都展现出独创性，并非模仿西方。

### 后续研究

在垂摇球仪是否为日本原创的问题上，学界看法分歧。2011年（平成23年），栃木县立足利高等学校的小曾根淳提出了两项新资料。其一是《新制灵台仪象图》附录《仪象图》中的第八十四图与八十五图，其中绘有摆钟图样。此图虽无垂摇球仪特有的双重爪车等结构，但推测麻田刚立等人应看过此图。其二是精工时钟资料馆收藏的一件附有摆锤度盘的折叠式板尺时钟。此钟制作年代不详，但没有双重爪车，技术上介于尺时钟与垂摇球仪之间。基于这些资料，小曾根得出结论：从参考《仪象图》附图制作这点来看，可说垂摇球仪参考了西方摆钟；但垂摇球仪中融入了多项附图所没有的巧思，因此不能断言其纯属西方模仿。