環(huán)形球儀

環(huán)形球儀古希臘

希臘天文學(xué)家喜帕恰斯（c. 190 – c. 120 BCE）稱許埃拉托斯特尼（276 – 194 BCE）是環(huán)形球儀的發(fā)明者。此設(shè)備的名稱最終的來源是拉丁文的圓環(huán)（armilla），因為它有一個有刻度的金屬圈連結(jié)極點，還有代表黃道、赤道、子午圈和平行圈。 通常，在它的中心有一個球代表地球，以后改成太陽。 它也用來演示恒星環(huán)繞地球的運動。在17世紀(jì)，望遠(yuǎn)鏡在發(fā)明之前，環(huán)形球儀是歐洲天文學(xué)家測量天體位置的主要工具

它最簡單的形式是一個固定在赤道平面上的圓環(huán)，這種環(huán)形球儀是一種最古老的天文儀器。稍后它有了改進(jìn)，有另一個圓環(huán)穿過平面并固定在子午線上。第一個是二分圈，第二個是二至圈（可能類似于簡儀）。組合的環(huán)被以等分的角度刻畫，陰影被用來指示太陽的位置，就成為環(huán)形日晷。當(dāng)更多的大圓組合代表著天球上不同的環(huán)圈時，這個儀器就是渾儀。

埃拉托斯特尼最有可能是使用分至圈來測量黃道的轉(zhuǎn)軸傾角；喜帕恰斯使用的環(huán)形球儀可能有四個環(huán)。托勒密在他的著作Syntaxis（第五冊第一章）描述了他的儀器，它包含了一個有刻度的環(huán)圈，在里面還有一個可以滑動，由在直徑兩端的兩個小管來移動。這臺儀器有著垂圈和分度圓。

在公元前三世紀(jì)，希臘人已經(jīng)將環(huán)形球儀開發(fā)成教學(xué)工具。更大和更精密的形式則被作為觀測儀器。

環(huán)形球儀東亞

在中國歷史上，天文學(xué)家曾經(jīng)創(chuàng)造渾象（celestial globes，天球儀）來協(xié)助觀察恒星。中國也使用渾儀（英文也是armillary sphere）以協(xié)助制歷和進(jìn)行歷算的計算。在韓國，也得利于中國的天文思想和天文儀器進(jìn)一步發(fā)展。

根據(jù)李約瑟的研究，環(huán)形球儀的發(fā)展最早可以追溯至公元前四世紀(jì)的石申和甘德，他們已經(jīng)配置了原始的單環(huán)環(huán)形球儀。這讓他們可以測量各個星宿的去極度（緯度）和經(jīng)度（赤經(jīng)）。李約瑟推算的日期，公元前四世紀(jì)，否定了英國漢學(xué)家克里斯多夫·卡倫仁所追溯這些設(shè)備出現(xiàn)在公元前一世紀(jì)的觀點。

西漢（202 BCE - 9 CE）的天文學(xué)家，落下閎（Luoxia Hong）、Xiangyu Wangren和耿壽昌（Geng Shouchang）發(fā)展并制造出早期階段的環(huán)形球儀。在公元前52年，天文學(xué)家耿壽昌介紹了第一個有永久固定赤道環(huán)的環(huán)形球儀。在隨后的東漢時代（公元23-220年），天文學(xué)家符安（Fu An）和賈奎（Jia Kui）在公元84年添加了黃道環(huán)。著名的政治學(xué)家、天文學(xué)家兼發(fā)明家張衡（Zhang Heng，公元78-139年）在公元125年將地平圈和子午環(huán)加入，完成了渾儀。張衡還完成世界上第一座由水力驅(qū)動的渾儀，它是利用水流轉(zhuǎn)動由擒縱器控制速度的渾儀（參見渾儀、水運儀象臺條目，有更詳細(xì)的介紹）。

漢朝以后的發(fā)展，讓環(huán)形球儀的使用有了許多改進(jìn)與演變。在公元323年，天文學(xué)家Kong Ting重新組合了渾儀的環(huán)，以便黃道可以和赤道在任何需要的點上結(jié)合。之后，唐朝的李淳風(fēng)（Li Chunfeng）在公元633年使用三層環(huán)的環(huán)形球儀，稱為'nests' (chhung)，從多方位來校準(zhǔn)天文觀測。他也負(fù)責(zé)安裝窺管的一項計劃，以使緯度的觀測能更為精確。然而，到了下個世紀(jì)，一行（Yi Xing，參見下文）才完成在渾儀內(nèi)安裝窺管的工作。在1050年，Zhou Cong和Shu Yijian為環(huán)形球儀安裝了赤道裝置，沈括（Shen Kuo）在11世紀(jì)晚期也做了相同的改進(jìn)。但直到歐洲的耶穌會士來到中國，他們才不再使用渾儀。

清朝的天球儀（渾象）。

在唐朝開元十一年（公元723 年），一行和尚和兵曹參軍梁令瓚（Liang Ling-zan）組合完成張衡使用擒縱器的渾象，每15分鐘便會擊鼓，整點便會搖鈴的自動裝置，也就是報時鐘。蘇頌著名的水運儀象臺在元祐七年（公元1092年）落成，如同一行的渾象使用擒縱器，并用水車將漏壺注滿水來推動。這架儀器上下分三層；上層是渾儀（天體測量之用），中層是渾象（天體運行演示），下層是司辰（自動報時器）。司辰有機械操作的小人偶，可以打開鐘樓的門，定時擊鼓或搖鈴，可以精確報時。還有政治家兼科學(xué)家的沈括（公元1031-1095年），曾任司天監(jiān)，是熱心的天文學(xué)者，改進(jìn)和設(shè)計了許多天文儀器：日晷、擒縱器、渾儀和固定觀察北極星以瞄準(zhǔn)極點的窺管。

韓國的發(fā)明家蔣英實奉朝鮮世宗之命打造渾儀，在1433年完成，命名為???（Honcheonui ）。

1669年，韓國天文學(xué)家Song Iyeong重新打造渾儀，做為一座天文鐘。這座天文鐘高度重視制作的技術(shù)，是朝鮮王朝留下的唯一一座天文鐘。

環(huán)形球儀伊斯蘭和歐洲中世紀(jì)

波斯和阿拉伯天文學(xué)家將公元8世紀(jì)的希臘環(huán)形球儀改良，并由波斯天文學(xué)家Fazari（d.c.777年）撰寫出論文Dhat al-Halaq或The instrument with the rings（圓環(huán)的儀器）。Abbas Ibn Firnas （d.887年）為哈里發(fā)默罕默德（852-886年的統(tǒng)治者）制造了另一個有圓環(huán)的儀器（環(huán)形球儀）。球形等高儀是等高儀和環(huán)形球儀變化出來的，是中世紀(jì)伊斯蘭黃金時代的發(fā)明。對球形等高儀的描述，最早可以追溯到波斯天文學(xué)家Nayrizi（fl. 892-902）。穆斯林的天文學(xué)家也獨立發(fā)明了環(huán)形球儀，主要用來解決球面天文學(xué)的問題?，F(xiàn)今，世界上還留存了126件這一類的儀器，最早的制作于11世紀(jì)。太陽的高度，或是恒星的赤經(jīng)和赤緯，都可以從球上的環(huán)輸入觀測者的地理經(jīng)度，計算出來。

桑德羅·波提切利，c. 1480，畫作中環(huán)形球儀。

在10世紀(jì)晚期，環(huán)形球儀經(jīng)由在安達(dá)魯斯的教宗西爾維斯特二世（r. 999–1003）的介紹傳入西歐。教宗西爾維斯特二世使用窺管和這種儀器確認(rèn)了當(dāng)時的北極星和紀(jì)錄與測量了赤道和熱帶。

環(huán)形球儀文藝復(fù)興

第谷·布拉赫（1546－1601）在儀器設(shè)計上有了進(jìn)展，他精心設(shè)計的環(huán)形球儀進(jìn)入了等高儀的領(lǐng)域，并繪制在他的新天文學(xué)儀器（Astronomiae Instauratae Mechanica）。

環(huán)形球儀是第一個復(fù)雜的機械設(shè)備，它們的發(fā)展在許多機械設(shè)備的技術(shù)和設(shè)計上導(dǎo)至了許多改進(jìn)。文藝復(fù)興的科學(xué)家和公眾人物經(jīng)常在他們畫像的手上展示一個環(huán)形球儀，代表最高的智慧和知識。

環(huán)形球儀也是很有用的教具，框架可以描述天球，系列的環(huán)形成代表天空的大圓，而在軸上旋轉(zhuǎn)的代表地平線。中心的球代表地球的是托勒密的宇宙；中心的球是太陽的，是哥白尼的宇宙。

目前，自從曼紐一世時代，環(huán)形球儀就出現(xiàn)在葡萄牙國旗和國徽上。

環(huán)形球儀當(dāng)代

在1980年代，愛蜜利薩維奇-史密斯在喀什米爾和拉合爾發(fā)現(xiàn)一些沒有任何縫隙的天球。[來源請求] 空心的物體通常使用兩半來澆鑄，盡管滾塑成型等技術(shù)在1960年代已經(jīng)被使用，同樣可以產(chǎn)生無縫的球體，但是薩維奇-史密斯指出鑄造一個無接縫的球體被認(rèn)為是不可能的。在喀什米爾發(fā)現(xiàn)最早的無接縫球是由中世紀(jì)天文學(xué)家和冶金學(xué)家Ali Kashmiri ibn Luqman 在1589-90年（AH998），阿克巴大帝的時期；另一個是在1659-60年（1070AH），穆罕默德·薩利赫賦予阿拉伯文和梵文題字；最后一個是由印度天文學(xué)家和冶金學(xué)家 Lala Balhumal Lahuri，在Jagatjit Singh Bahadur統(tǒng)治期間，于1842年在拉哈爾制造的。總共制造了21個這樣的球，而這些也是迄今保存無接縫球體的唯一例子。這些蒙兀兒冶金學(xué)家是使用脫蠟鑄造的法來生產(chǎn)這些球。

環(huán)形球儀經(jīng)常在紋章學(xué)和旗幟學(xué)中被使用，關(guān)聯(lián)的符號主要出現(xiàn)在葡萄牙、巴西，這和葡萄牙帝國與葡萄牙發(fā)現(xiàn)有關(guān)。

在15世紀(jì)結(jié)束時，環(huán)形球儀成為葡萄牙未來的國王曼紐一世個人的徽章，而當(dāng)時他還只是葡萄牙的王子。在曼紐一世的統(tǒng)治期間，從環(huán)形球儀轉(zhuǎn)化過來，簡化的這個私人徽章在文件、紀(jì)念碑、旗幟和其它物品上被大量的使用，特別是在海外殖民地。在曼紐一世死后，這個環(huán)形球儀的標(biāo)示繼續(xù)被使用作為國家的象征。在17世紀(jì)，它與葡屬巴西有了特別的連結(jié)。在1815年，當(dāng)英屬巴西和葡屬巴西聯(lián)合成為一個國家時，這個徽章正式被作為一塊藍(lán)色領(lǐng)域上的金色環(huán)形球儀。除了代表巴西，這個環(huán)形球儀也出現(xiàn)在葡萄牙－巴西－阿爾加維聯(lián)合王國的旗幟和紋章。當(dāng)巴西在1822年獨立成為帝國，這個徽章繼續(xù)出現(xiàn)在國旗和國家的紋章上。在1889年，巴西國旗上的環(huán)形球儀才被現(xiàn)今的天球取代。在1910年，環(huán)形球儀再度出現(xiàn)在葡萄牙的國徽和國旗上。2100433B

這架儀器的外部結(jié)構(gòu)（或框架）是黃銅環(huán)，代表天空主要的環(huán)圈。

1.赤道A：被劃分為360度（與黃道交會于白羊座之處是起點）以顯示太陽的赤經(jīng)；也可以用24小時，以顯示太陽時。

2.黃道B：分為12個宮，每個宮30度，也標(biāo)示出一年中的月和日并且；以這種方式，在給定的任何一天，太陽會位于黃道圈上特定月份的某一度或點上。

3. 北回歸線 C：與黃道在巨蟹宮接觸的點e是起點，南回歸線 D在摩羯宮和黃道接觸的點f是起點。兩者都與天球赤道平行，且距離均是23.5度。

4.北極圈 E，和南極圈 F：兩者分別距離北極點N和南極點S23.5度。.

5. 二分圈 G：經(jīng)過天空上的北極點N和南極點S，并且通過白羊?qū)m和天秤宮在黃道上的分點。

6.二至圈 H：經(jīng)過天空上的極點，并且在黃道上穿過巨蟹宮和摩羯宮的至點。這些圈將每個象限被劃分為90度，從赤道到兩極，顯示太陽、月球和恒星的赤緯；每個象限都有字母，從黃道的e和f，到極圈的b和d，顯示恒星的赤經(jīng)。

在黃道北極b上有一個螺母，固定了一條90度長線的一端，而在另一端有一個代表太陽的小球Y，轉(zhuǎn)動螺母，它就位會沿著黃道B—B繞行。旋轉(zhuǎn)黃道南極的螺母：栓在d上90度長的飾針另一端上面有代表月球的小球Ζ，這可以用手轉(zhuǎn)：但是這兒有一個特別的巧思，可以讓月球的軌道與黃道有5又1/3的夾角移動的特殊裝置，相對的這個點稱為月球節(jié)點；這個節(jié)點也可以移動，在黃道上退行，如同月球在天空中的移動。

在這些圓環(huán)的內(nèi)部有一個小地球儀J，固定在延伸至天球的南極點s和北極點N的軸K上。在這個軸上固定了一條平板天球子午線L L，這條子午線可以移到世界各地的任何地方，所以只有一條子午線在此處。這條平板子午線上有刻度，就像普通天球儀的黃銅一樣，它們的用途是相同的。在這個地球上裝有可移動的地平線' M '，這個地平線的東西兩個端點被連接到地球赤道溝槽上相對的兩個點，使這個黃銅環(huán)可以環(huán)繞地球，而地球的也仍可以有自轉(zhuǎn)的運動。在這個環(huán)內(nèi)的地球可以用手轉(zhuǎn)動，所以子午線可以在任何的地點之上，直接在天球子午線L之下。地平圈的外緣等分為360度，其作用如同羅盤一樣，使用角度和點來顯示月球和太陽移動的范圍。天球子午線L，如同一般的地球儀，經(jīng)過地平圈上的南北兩個點：兩者也都一樣，當(dāng)?shù)厍蜣D(zhuǎn)動時，地平圈和子午線會跟著一起轉(zhuǎn)動。在球的南極有一個25小時的圈，固定在環(huán)上，并且在軸上有一個指標(biāo)，如果地球繞軸轉(zhuǎn)動時可以環(huán)繞著這個環(huán)。

整個結(jié)構(gòu)支撐在一個基座N上，并且可以在一個固定在R上的連結(jié)O上升高或降低，從固定在堅固黃銅臂Q上的P弧，調(diào)整出在0到90度之間的任何角度，而滑片可以用螺絲'r '在適當(dāng)?shù)慕嵌壬瞎潭ㄗ　?