地动仪

 
地动仪
地动仪
    
      地动仪是中国古代侦测地震的仪器。由东汉时期,南阳天文学家张衡汉顺帝永建七年(132年)发明。候风地动仪以精铜铸成。圆径八尺,合盖隆起,形似酒尊,上饰篆文、山龟、鸟兽之形。候风地动仪是世界最早的地震仪。有史记载曾经准测出泷西地震,立即上奏皇上,当时遭重臣诽议,结果3天后600加急来报,甘肃发生大地震。

简介

  候风地动仪是汉代科学家张衡的又一传世杰作。在张衡所处的东汉时代,地震比较频繁。据《后汉书·五行志》记载,自和帝永元四年(公元92年)到安帝延光四年(公元125年)的三十多年间,共发生了二十六次大的地震。地震区有时大到几十个郡,引起地裂山崩、江河泛滥、房屋倒塌,造成了巨大的损失。张衡对地震有不少亲身体验。为了掌握全国地震动态,他经过长年研究,终于在阳嘉元年(公元132年)发明了候风地动仪──世界上第一架地震仪。在通信不发达的古代,地震后,为人们及时知道发生地震和确定地震大体位置有一定的作用。

构成

  候风地动仪在以下八个方位上各有一口含铜球的龙头:
  
  标字   方向   度数
  子    正北   0度
  艮    东北   45度
  卯    正东   90度
  巽    东南   135度
  午    正南   180度
  坤    西南   225度
  酉    正西   270度
  干    西北   315度
  
  在各龙头的正下方,各有一仰头张口的青铜蟾蜍,对准龙头。当某一方向传来地震时,此方向的一个火龙吐珠,正落入蟾蜍口中,发出巨响,报告发生地震,其他七只龙头不为所动。根据口含铜珠的蟾蜍的方位,可知数百里外地震发生的方向,比八百里飞骑报信早几日。
  
  另外一种说法,候风仪与地动仪是两种仪器,前者做成衔花的鸟形,可以依照鸟的指向测风向,并以花转动的速度测定风速。
  
   “ 阳嘉元年,复造候风地动仪,以精铜铸成。员径八尺,合盖隆起,形似酒尊,饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱,旁行八道,施关发机。外有八龙,首衔铜丸,下有蟾蜍,张口承之。其牙机巧制,皆隐在尊中,覆盖周密无际。如有地动,尊则振,龙机发,吐丸而蟾蜍衔之,振声激扬,伺者因此觉知。虽一龙发机,而七首不动,寻其方向,乃知震之所在。验之以事,合契若神。自书典所记,未之有也。尝一龙机发,而地不觉动,京师学者咸怪其无征,后数日驿至,果地震陇西,于是皆服其妙。自此以后,乃令史官记地动所从方起。 ”
                                                                                                  ——后汉书·张衡传
  
  侯风地动仪是采圆柱体直桶腰,8条龙仅有龙首线条简单,8只蟾蜍背部朝内顶起这仪器,嘴巴张开向外朝上。
  
  根据后汉书里的195个字,博物馆花了5年的时间,于1951年所复制出来的,其外型的8条龙为明清风,显得比较华丽。当年美国尼克松总统来访时,曾赞赏有佳。而唐山大地震时,由于其制作原理错误,所以其未能展现该有的预报功能。后人们重新解读了“关”、“机”二字(关为“门闩”、机为一种“杠杆机关”),认为地动仪应为“悬垂摆原理”所操控。研究人员按此复原,最终在多次地震中进行检测并取得了成功。
  
  而真正张衡所制的地动仪据陈毁于东汉战火。

工作原理

       据学者们考证,张衡在当时已经利用了力学上的惯性原理,“都柱”实际上起到的正是惯性摆的作用。同时张衡对地震波的传播和方向性也一定有所了解,这些成就在当时来说是十分了不起的,而欧洲直到1880年,才制成与此类似的仪器,比起张衡的发明足足晚了一千七百多年。
地动仪构造
地动仪构造
  关于地动仪的结构,目前流行的有两个版本:王振铎模型(1951年),即“都柱”是一个类似倒置酒瓶状的圆柱体,控制龙口的机关在“都柱”周围。这一种模型最近已被基本否定。另一种模型由地震局冯锐(2005年)提出,即“都柱”是悬垂摆,摆下方有一个小球,球位于“米”字形滑道交汇处(即《后汉书·张衡传》中所说的“关”),地震时,“都柱”拨动小球,小球击发控制龙口的机关,使龙口张开。另外,冯锐模型还把蛤蟆由面向樽体改为背向樽体并充当仪器的脚。该模型经模拟测试,结果与历史记载吻合。
   那么,地动仪的内部结构究竟什么样子呢?有不少学者对此作过探讨。早在南北朝时,北齐信都芳撰《器准》,隋初临孝恭作《地动铜仪经》,都对之有所记述,并传有它的图式和制作方法。可惜的是唐代以后,二书均失传。今人的研究则以王振铎之说影响最大。王振铎根据前人的猜测,讨论了地动仪内部可能有的各种结构,最后推断都柱的工作原理与近代地震仪中倒立式震摆相仿。具体说来,都柱就是倒立于仪体中央的一根铜柱,八道围绕都柱架设。都柱竖直站立,重心高,一有地动,就失去平衡,倒入八道中的一道。八道中装有杠杆,叫做牙机。杠杆穿过仪体,连接龙头上颌。都柱倾入道中以后,推动杠杆,使龙头上颌抬起,将铜丸吐出,起到报警作用。
  地动仪用精铜制成,圆经八尺,合盖隆起,形似酒樽。表面作金黄色,上部铸有八条金龙,分别伏在东、西、南、北及东北、东南、西北、西南八个方向。龙倒伏,龙首向下,龙嘴各衔一颗小铜球,与地上仰蹲张嘴的蟾蜍相对。地动仪空腔中央,立一根铜柱,上粗下细。铜柱周围有八根横杆,称为“八道”,各与一龙头相连。铜柱是震摆装置,八道用来控制和传导铜柱运动的方向。在地动仪受到地震波冲击时,铜柱就倒向发生地震的方向,推动同一方向的横杆和龙头,使龙嘴张开,铜球下落到蟾蜍嘴中,并发出响声,以提示人们注意发生了地震及地震的时间和方向。
   一颗珠子放在平台上,如果将哪方稍微往下一按,珠于就向哪方滚动。又如我们点亮一支蜡烛,将它放在一张不平的桌子上,它总会向低的一方倒。地动仪就是根据这些简单的原理设计的。地动可以传到很远的地方,只不过太远了人就感觉不到了,但地动仪能准确地测到。但是中国科学家认定地动仪的工作原理应该是“悬垂摆原理”,即地动仪是利用了一根悬挂柱体的惯性来验震的,而非当今历史教科书所说的在仪器底部简单地竖立一根直立杆。
  

错误观点

  地动仪并不能预测地震,其作用只是遥测地震方向。所以很多书籍资料,记载其可以预测地震,实为错误观点。
      

评价

  地动仪的历史资料,最著名的是《后汉书·张衡传》中的记载,虽然只有196个字。早期的复原工作都是据此开展的。冯锐的课题组把资料的考证和利用扩大到《续汉书》、《后汉纪》等古代文献,但相关文献的总字数也不过231个。这些资料,使他们复原的史料根据更加充分。
  在研制过程中,冯锐还采用了一些新技术、新方法,即利用洛阳地震台接收到的现代陇西地震记录,算出模拟的陇西历史地震的波动效应,然后把数据输入计算机,再控制特殊的振动台完成洛阳地面震动过程的复现,用这种运动信号对振动台上的复原模型进行检验和改进。
   验收组的专家们认为:新模型对4次实际地震事件已经实现了良好的验震反应,迈出了从概念模型到科学仪器的关键性一步,研究工作突破了古代科学仪器复原的传统模式,是一次重大的跨越。
   验收会结束后,中科院地质与地球物理所的滕吉文院士说:“地动仪是中华文明留给人类的宝贵文化遗产,各国科学家都在尝试复原,如果我们不把这件事做好,那就是罪过。从原理上和制作过程上讲,这台复原模型符合史料记载,符合张衡的基本思想……这台地动仪复原模型代表了现代人的认识,它在现阶段是最好的。”