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张衡的地震仪为什么能测出地震方向
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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。
[编辑本段]外形机关
据《后汉书·张衡传》记载，候风地动仪“以精铜铸成，圆径八尺”，“形似酒樽”，上有隆起的圆盖，仪器的外表刻有篆文以及山、龟、鸟、兽等图形。仪器的内部中央有一根铜质“都柱”，柱旁有八条通道，称为“八道，还有巧妙的机、关。樽体外部周围有八个龙头，按东、南、西、北、东南、东北、西南、西北八个方向布列。龙头和内部通道中的发动机关相连，每个龙头嘴里都衔有一个铜球。对着龙头，八个蟾蜍蹲在地上，个个昂头张嘴，准备承接铜球。当某个地方发生地震时，樽体随之运动，触动机关，使发生地震方向的龙头张开嘴，吐出铜球，落到铜蟾蜍的嘴里，发生很大的声响。于是人们就可以知道地震发生的方向。
[编辑本段]实证
汉顺帝阳嘉三年十一月壬寅（公元134年12月13日），地动仪的一个龙机突然发动，吐出了铜球，掉进了那个蟾蜍的嘴里。当时在京城（洛阳）的人们却丝毫没有感觉到地震的迹象，于是有人开始议论纷纷，责怪地动仪不灵验。没过几天，陇西（今甘肃省天水地区）有人飞马来报，证实那里前几天确实发生了地震，于是人们开始对张衡的高超技术极为信服。陇西距洛阳有一千多里，地动仪标示无误，说明它的测震灵敏度是比较高的。
[编辑本段]原理考证和结构模型
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。
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（见上图）。该模型经模拟测试，结果与历史记载吻合。（详见参考资料）
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。(图左)
结构分析
王振铎的推断得到了广泛赞同。中国历史博物馆陈列的张衡地震仪模型，就是根据王振铎的设计复原的。但是，也有学者提出不同意见。中国科学技术大学李志超就曾对倒立摆结构提出过异议，他以全新的视角，提出了自己对候风地动仪的理解（参见李志超，《天人古义》，河南教育出版社，1995年版）。
李志超认为，从文献角度来看，汉代字书《释名》解释“柱”，说“柱，住也”，表明柱字原义是建筑中不动的支撑件。由此，倒立摆结构不得称“柱”，只合称锥。“都”是集总之义，说明不是孤柱，应该还附带八套机关，而立锥却只能是光杆。这样，仅由“都柱”这一名称来看，倒立摆之说也不能成立。
李志超进一步指出，倒立锥的设计使原文所述其他一切部件皆成画蛇添足。尤其是庞大的铜尊，毫无道理可言。再者，从物理评价角度来看，任何测量仪器的性能一般都可用两个互相矛盾的指标表征：灵敏度和稳定度。倒立锥的设计正好突出了精密计量技术这一主要矛盾。例如，为提高地动仪的灵敏度，就要把倒立锥的锥底做得很小，使之形成一个锥尖，但很小的锥尖承受巨大的重力压强，在不可避免的微小震动作用中必将逐渐形成不可逆的变形，其趋向是锥尖下面的支承面形成坑窝，锥尖变得圆滑。这一过程不可逆，而且是加速的。这样，倒立锥最终要倒下来，不管有无地震。如果为提高稳定度，将锥尖做成宽到实际不变形，那它的灵敏度必然很低，感知量比人所能察觉的还要大，地动仪也就失去了它的存在价值。
[编辑本段]附：对张衡地动仪的重新复原
1700多年前，地动仪神秘消失，它的模样和工作原理成为千古谜团。
2004年8月，河南博物院与中国地震台网中心组成课题组，联合研究张衡地动仪新的复原模型。
目前，这项课题取得重大进展，课题组用“悬垂摆原理”取代了传统的“直立杆原理”。
2005年4月16日，这一科研成果得到了来自中国科学院、国家博物馆、中国地震局等单位的地震学和考古学专家的肯定。专家们认为：这台复原地动仪首次把概念模型还原成了科学仪器，使之真正有了验震功能。
验收
地动仪复原模型把概念模型复原成了科学仪器
4月16日上午，河南博物院《天地经纬》专题陈列厅，由地震学、考古学、机械工程学等相关学科的专家组成的验收委员会，开始对用挑剔的眼光注视着地动仪复原模型（1/3小样）。
当日下午，验收组的7位专家经过激烈讨论，最终认为：新模型首次把概念模型复原成了具有验震功能的科学仪器，迈出了复原研究的历史性一步。这个验收意见意味着，新复原的地动仪通过了阶段性成果验收，后续工作只需对某些技术细节做进一步优化，对外观做出最终确定。
河南博物院副院长田凯对此感触颇深：“我们不仅在复原一件仪器，也在找寻1000多年前那位伟大科学家‘求实疾虚’的科学精神……”
心愿
一定要让地动仪模型“动”起来
1998年，河南博物院新馆建设过程中，田凯负责主持《河南古代文化之光》陈列。布置汉代展厅需要展示张衡的地动仪，当时最权威的模型陈列在原中国历史博物馆里，它是王振铎先生于1951年设计的，这台卵状体上含有8条飞龙的模型，已成为地动仪的“标准形象”。
河南博物院请苏州天文仪器研究所按王振铎的模型重新复制了一个木制模型，并提出“能否让地动仪动起来”，得到的回答是：不可能，即使是中国历史博物馆里陈列的那台也不能检测地震。但对方可以在模型下面人为地安上一个装置，让它动起来。
“我们展出的是科学仪器不是玩具，这样做是对观众的欺骗。所以当时只能造一个不能动的模型，但这个情结在我心里一直存留了好多年。”田凯说。
6年后，了解到国家地震局和国家博物馆的研究人员正在做复原工作。2004年8月，河南博物院与中国地震台网中心签订了合作协议，组成了课题小组，共同复原张衡地动仪。
解谜
找到“垂悬摆原理”
该课题的负责人是中国地震台网中心冯锐研究员。冯先生表示，1700多年前的地动仪究竟如何工作是首先须破译的谜团，深入研究证实，地动仪应该是“悬垂摆原理”而不是王振铎模型的“直立杆原理”。
几十年来，国内外地震学界对王振铎模型的否定意见一直没有停。更有近现代西方学者认为张衡地动仪之所以失传，是因为它没有达到科学的要求，它不是个科学的东西。冯锐说：“看到这些严厉的批评以后，我们才感到问题的严重性。”
历时1年多，课题组最终确认了地动仪的工作原理应该是“悬垂摆原理”，而不是“直立杆原理”。
评价
这是一次重大跨越
地动仪的历史资料，最著名的是《后汉书·张衡传》中的记载，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。”
不能，因为看见过张衡地震仪的人应该都知道，张衡的地震仪外表像一个大水桶，而在大水桶外表的八个方位有八条龙，当在那个方位有地震的时候，珠子就会从那个方向的龙的口中吐出，从而能知道地震在那一个方位。紧此这样而已，还未有测量时间的功能。
张衡的“候风地动仪”的功能是判定地震方向的。
地动仪中有一根倒立的、重心较高的长木椎，处于不稳定状态，这和倒竖一个啤酒瓶相似。当地震波传来是，仪器的底座起始的运动方向是指向震中，向相反方向的。由于本身的惯性作用，这时候木椎倒下的方向，就是指向震中的。木椎倒下触发了这个方向的一个杠杆，杠杆带动这个方向的一个龙头，龙头就释放了口中的木珠，从而指示了震中的方向。
地动仪不能判定震中的距离和大小。
早已遗失了，现在我们看到的是解放后的学者根据史书的描述而做出的一个模型。
最近已有一位学者论证了解放初期的地震仪模型是错误的，经过实验得出了新的模型，经过测试能达到史书上记载的地震仪的功能。
古代的帝王并没有把地动仪看成国宝，所以遗失了。
地动仪是我国古代文明的见证，具有很高的科学价值。
张衡的地震仪只能测出什么地方发生了地震，而不是什么地方将会发生地震。
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