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张衡为什么发明地震仪
最早的地震仪
地震仪是一种监视地震的发生，记录地震相关参数的仪器。我国汉朝的科学家张衡，在公元132年就制成了世界上最早的“地震仪”——地动仪。
这架仪器是铜铸的，形状像一个酒樽，四周有八个龙头，龙头对着东、南、西、北、东南、西南、东北、西北八个方向。龙嘴是活动的，各自都衔着一颗小铜球，每一个龙头下面，有一个张大了嘴的铜蛤蟆，仪器的内部中央有一根铜质“悬垂摆”，柱旁有八条通道，称为“八道，还有巧妙的机关。当某个地方发生地震时，悬垂摆拨动小球通过“八道”，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。
经过公元134年的甘肃西南部的地震试验，完全证实了它检测地震的准确性。它比欧洲创造的类似的地震仪早了1700多年。可惜的是东汉地动仪早已失传，现在我们看到的地动仪都是后人根据史籍复原的。
由于地动仪只是记录了地震的大致方向，而非记录地震波，所以相当于是验震器，而非真正意义上的地震仪。
[编辑本段]现代地震仪发展历程
第一台真正意义上的地震仪由意大利科学家卢伊吉·帕尔米里于1855年发明，它具有复杂的机械系统。这台机器使用装满水银的圆管并且装有电磁装置。当震动使水银发生晃动时，电磁装置会触发一个内设的记录地壳移动的设备，粗略地显示出地震发生的时间和强度。
第一台精确的地震仪，于1880年由英国地理学家约翰·米尔恩在日本发明，他也被誉为“地震仪之父”。在帝国大学的同事詹姆斯·尤因和托马斯·格雷的帮助下，约翰·米尔恩发明出多种检测地震波的装置，其中一种是水平摆地震波检测仪。这个精妙的装置有一根加重的小棒，在受到震动作用时会移动一个有光缝（一个可以通过光线的细长缝）的金属板。金属板的移动使得一束反射回来的光线穿过板上的光缝，同时穿过在这块板下面的另外一个静止的光缝，落到一张高度感光的纸上，光线随后会将地震的移动“记录”下来。今天大部分地震仪仍然按照米尔恩和他助手的发明原理进行设计。科学家将继续通过研究地壳的移动和摆锤的摆动的关联性来探测地球的震动。
1906年俄国王子鲍里斯·格里芩发明了第一台电磁地震仪，在这台机器的设计中，他利用了19世纪由英国物理学家迈克尔·法拉第提出的电磁感应原理。法拉第的感应原理认为磁铁磁力线密度的改变可以产生电荷。在此基础上，格里芩制造出一种仪器，可以在感受到震动时将一个线圈穿过磁场，产生电流并将电流导入检流计中，检流计可以测量并直接记录电流。电流随后移动一面镜子，如同米尔恩所制作的引导光线的金属板一样。这个电子装置的优点在于记录器可以放置在实验室里，而地震仪可以被安放在比较偏僻的的可能会发生地震的地点。
20世纪时，核能测试检测系统的出现促进了现代地震仪的发展。尽管地震会对人身和财产安全造成巨大损失，直到地下核爆炸的威胁促使世界性的地震监测仪网络（wwssn）于1960年建立后，地震仪才被大规模地投入使用，在60多个国家共设立了120多台地震仪。
发展于第二次世界大战后，普雷斯·尤因地震仪使研究者能够记录长周期地震波——波在相对较慢的速度下传递很长时间。这种地震仪使用的摆与米尔恩模型中所使用的类似，不同的是使用一条有弹性的金属线代替枢轴支撑加重的小棒以减少摩擦。战后还对地震仪进行了以下改进，引进自动计时器使计时更加准确，使用狮子读出器，可以将数据放入计算机中进行分析等。
现代地震仪最重要的发展是应用地震检波器组合。这种组合，有些由几百个地震仪组成，都连接到一个单独的中心记录器上。通过对不同地点产生的地震波图的进行比较，研究者可以确定震中位置。
我们现在在地震研究中使用的地震仪主要有三种，每一种都有与它们将要测量的地震震动幅度（速度和强度）相应的周期（周期指的是摆完成一次摆动所需的时间长度，或者来回摆动一次所需的时间）。
短周期地震仪一般用于研究初次和二次震动，测量移动速度最快的地震波。这是因为这些地震波移动速度太快，短周期地震仪在不到一秒钟的时间就能完成一次摆动；它同样能够放大记录下来的地震波图，使研究人员能够看出地壳瞬间运动的轨迹。
长周期地震仪使用的摆锤一般需要20秒左右的时间完成一次摆动，可以用来测量跟随在地壳初次和二次震动后的较缓慢的移动。地震检测仪网络现在使用的就是这种类型的工具。
具有最长摆锤摆动周期的地震仪叫超长型或宽波段地震仪。宽波段地震仪的应用越来越广泛，通常能够对全世界范围内的地壳运动提供更为全面的信息。
[编辑本段]现在的地震仪
记录地震波的仪器称为地震仪，它能客观而及时地将地面的振动记录下来。其基本原理是利用一件悬挂的重物的惯性，地震发生时地面振动而它保持不动。由地震仪记录下来的震动是一条具有不同起伏幅度的曲线，称为地震谱。曲线起伏幅度与地震波引起地面振动的振幅相应，它标志着地震的强烈程度。从地震谱可以清楚地辨别出各类震波的效应。纵波与横波到达同一地震台的时间差，即时差与震中离地震台的距离成正比，离震中越远，时差越大。由此规律即可求出震中离地震台的距离，即震中距。
值得注意的是，地震仪只能用于测量地震的强度、方向，并不能用于预测地震。
张衡是东汉时候杰出的科学家。他从小就爱想问题，对周围的事物，总要寻根究底，弄个水落石出。
在一个夏天的晚上，张衡和爷爷、奶奶在院子里乘凉。他坐在一张竹床上，仰着头，呆呆地看着天空，还不时举手指指划划，认真地数星星。
张衡对爷爷说：“我数的时间久了，看见有的星星位置移动了，原来在天空的，偏到西边去了。有的星星出现了，有的星星又不见了。它们不是在跑动吗？”
爷爷说道：“星星确实是会移动的。你要认识星星，先要看北斗星。你看那边比较明亮的七颗星，连在一起就像烫衣服的熨斗，很容易找到……”
“噢！我找到了！”小张衡很兴奋又问：“那么，它是怎样移动的呢？”
爷爷想了想说：“大约到半夜，它就移到地平线上，到天快亮的时候，这北斗就翻了一个身，倒挂在天空……”
这天晚上，张衡一直睡不着，多次起来看北斗。夜深人静，当他看到那闪烁而明亮的北斗星时，果然倒挂着，他感到多么高兴啊！他想：这北斗为什么会这样转来转去，是什么原因呢？天一亮，他便赶去问爷爷，谁知爷爷也讲不清楚。于是，他带着这个问题，读天文书去了。
后来，张衡长大了，皇帝得知他文才出众，把张衡召到京城洛阳担任太史令，主要是掌管天文历法的事情。
为了探明自然界的奥秘，年轻的张衡常常一个人关在书房里读书、研究，还常常站在天文台上观察日月星辰。他想，如果能制造出一种仪器，能够上观天，下察地，预报自然界将要发生的情况，这对人们预防灾害，揭穿那些荒诞的迷信鬼话，该是多么好啊！
于是，张衡把从书本中和观察到的材料，进行分析研究，开始了试制“观天察地”仪器的工作。他把研究的心得先写成一本书，叫做《灵宪》。在这本书里，他告诉人们：天是球型的，像个鸡蛋，天就像鸡蛋壳，包在地的外面，地就像蛋黄，就叫做“浑天说”。
接着，张衡根据这种“浑天说”的理论，开始设计、制造仪器了。不知经过多少个风雨晨昏，熬过多少个不眠之夜，一个当时世界上最先进的天文仪器－－浑天仪诞生了。这个大铜球很像今天的地球仪，它装在一个倾斜的轴上，利用水力转动，它转动一周的速度恰好和地球自转一周的速度相等。而且在这个人造的天体上，可以准确地看到太空中的星象。张衡说：“天上的星星，能见的共有二千五百颗，但我们经常能看到的却只有一百二十颗。”
后来，张衡经过努力钻研，又发明创造了世界上第一架能预报地震的仪器－－地动仪。这个地动仪也是钢铸造的，形状像个酒坛子，四周铸着八条龙，每条龙口里含着一个小铜球。只要哪一条龙口中的铜球吐了出来，就预示着那个方向发生地震了。测试非常灵验，没有一次不准。
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。
遗憾的是关于张衡浑天仪中的动力和传动装置的具体情况史书没有留下记载。
张衡写的有关浑天仪的文章也只留存片断。这片断中也没有提及动力和传动装置
问题。近几十年来，人们曾运用现代机械科技知识对这个装置作了一些探讨。最
初，人们曾认为是由一个水轮带动一组齿轮系统构成。但因有记载明言浑天仪是
“以漏水转之”，而又有记载明言这漏水又是流入一把承水壶中以计量时间的。因
此，就不能把这漏水再用来推动原动水轮。所以，原动水轮加齿轮传动系统的方
案近年来受到了怀疑。最近有人提出了一种完全不同的设计。他们把漏壶中的浮
子用绳索绕过天球极轴，和一个平衡重锤相连。当漏壶受水时壶中水量增加，浮
子上升，绳索另一头的平衡锤下降。这时绳索牵动天球极轴，产生转动。此种结
构比水轮带动齿轮系的结构较为合理。因为(i)张衡时代的齿轮构造尚相当粗糙，
难以满足张衡浑天仪的精度要求。(ii)这个齿轮系必含有相当数量的齿轮，而齿
轮越多，带动齿轮旋转的动力就必须越大。漏壶细小缓慢的水流量就越难以驱动
这个系统。(iii)更关键的是前面已提到的漏壶流水无法既推动仪器，又用于显
示时刻。而浮子控制的绳索传动就可避开上述三大困难。人们已就此设想做过小
型的模拟实验。用一个直径为6.5厘米，高3.5厘米的圆柱形浮子和一块27克重的
平衡重锤，就可通过绳索带动质量为1040克的旋转轴体作比较均匀的转动。其不
均匀的跃动在一昼夜中不过数次，且跃动范围多在2°以下，这种误差在古代的
条件下是可以允许的。因此，看来浮子-平衡重锤-绳索系统比原动水轮-齿轮
系统的合理性要大一些。不过，张衡的仪器是个直径达1米以上的铜制大物。目
前的小型实验尚不足以保证在张衡的仪器情况下也能成功，还有待更进一步的条
件极相近的模拟实验才能作出更可信的结论。
不管张衡的动力和传动系统的实情究竟如何，总之，他是用一个机械系统来
实现一种与自然界的天球旋转相同步的机械运动。这种作法本身在中国是史无前
例的。由此开始，我们诞生了一个制造水运仪象的传统，它力图用机械运动来精
确地反映天球的周日转动。而直到20世纪下半叶原子钟发明和采用之前，一切机
械钟表都是以地球自转，亦即天球的周日转动为基础的。所以，中国的水运仪象
传统乃是后世机械钟表的肇始。诚然，在公元前4世纪到公元前1世纪的希腊化时
代，西方也出现过一种浮子升降钟(anaphoricclock)，它的结构和最近人们所
设想的浮子-平衡锤-绳索系统浑天仪相仿，不过其中所带动的不是一架天球仪，
而是一块平面星图。可是在随后的罗马时代和黑暗的中世纪，浮子升降钟的传统
完全中断而消失。所以，中国的水运仪象传统对后世机械钟表的发展具有极其重
要的意义。而这个传统的创始者张衡的功绩自然也是不可磨灭的。
从当时人的描述来看，张衡浑天仪能和自然界的天球的转动配合得丝丝入扣，
“皆如合符”，可见浑天仪的转动速度的稳定性相当高。而浑天仪是以刻漏的运
行为基础的。由此可以知道，张衡的刻漏技术也很高明。
刻漏是我国古代最重要的计时仪器。目前传世的三件西汉时代的刻漏，都是
所谓“泄水型沉箭式单漏”。这种刻漏只有一只圆柱形盛水容器。器底部伸出一
根小管，向外滴水。容器内水面不断降低。浮在水面的箭舟(即浮子)所托着的刻
箭也逐渐下降。刻箭穿过容器盖上的孔，向外伸出，从孔沿即可读得时刻读数。
这种刻漏的计时准确性主要决定于漏水滴出的速度是否均匀。而滴水速度则与管
口的水压成正比变化。即随着水的滴失，容器内水面越来越降低，水的滴出速度
也会越来越慢。
衡生于公元78年，死于139年，是我国古代杰出的科学家。他在数学、天文、地震等方面，都有突出的成就。张衡发明的仪器叫地动仪，这是世界上第一架地震仪。据《后汉书》记载，地动仪以精铜铸造而成，圆径达八尺，外形像个酒樽，机关装在樽内，外面按东、西、南、北、东北、东南、西南、西北八个方位各设置一条龙，每条龙嘴里含有一个小铜球，地上对准龙嘴各蹲着一个铜蛤蟆，昂头张口，当任何一个方位的地方发生了较强的地震时，传来的地震波会使樽内相应的机关发生变动，从而触动龙头的杠杆，使处在那个方位的龙嘴张开，龙嘴里含着的小铜球自然落到地上的蛤蟆嘴里，发出"铛铛"的响声，这样观测人员就知道什么时间，什么方位发生了地震。
公元134年12月13日，这台地动仪西方的龙嘴张开了，铜球“铛”的一声落到蛤蟆嘴里，测知洛阳以西发生地震。但由于洛阳没有感到震动，所以很多人议论纷纷，说这台仪器不准。几天以后，信使飞马来报，距离洛阳以西一千多里的陇西（甘肃东南部）发生了地震，这才使朝廷内外“皆服其妙”。
近代的地震仪在1880年才制成，它的原理和张衡地动仪基本相似，但在时间上却晚了1700多年。
我国第一个地震观测台是1930年由着名地震学家李善邦主持建立的，位置在北京鹫峰。经过半个多世纪的奋斗，我国地震台由一个发展到几百个，目前已拥有全国基本台网，大地震速报台网，都可以由地震仪记录下来，并报送到中国地震局分析预报中心，使我国地震观测技术处于世界前列。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。
现在的地震仪原理的解释出现在《新概念英语》第四册的一篇课文上。文章的题目为《记录地震》。那么，地震已是如何工作的呢？最粗糙的测试地震的方法是将不同高度的小圆柱体放在一个水平的平面上，当地震发生时，这些圆柱体会倒下。不同程度的地震会导致不同稳定性的圆柱体倒下。也就是说，当地震不强烈时，仅仅那些最不稳定的圆柱体倒下，而地震很强时，所有的圆柱体都会倒下。这只是简单的一个测试地震的方法，无法精确的记录地震的波动状况。因此，这种测试工具需要进一步改进。
我们知道，当我们写字的时候，笔在纸上移动，从而留下了痕迹。相反，如果我们保持笔不动而纸移动，我们也可以在纸上留下痕迹。这种原理可以用来记录地震的波动情况。有些人会担心，当地震发生时，纸和笔都在动，如何可以精确的记录地震的运动情况呢？我们可以做一个小试验。取一段长线（一米足矣），在线的一头系上一个重物，用手拿住线的另一头，将重物悬于空中，但是保持重物的地段刚好轻轻接触地面，然后轻轻的前后左右的摆动拿着线的手，你会发现重物的低端几乎不会移动。这其中的原理就是惯性。线一端已经随手的移动而移动，但是重物的一端由于惯性的作用，仍然保持在原处。也许移动的手会对重物的位置产生影响，这种影响已经通过长长的线大大地削弱了。同样的道理，如果，我们将纸放在下面，用一支可以书写的笔代替重物，我们就可以记录地震的波动情况了。
事实上，为了记录更精确，平铺的纸可以用一个随着轮子转动的纸圈代替，这样，当地震没有发生的时候，笔会在纸上留下一条直线，当地面发生于此垂直的波动时，就会在纸上留下波浪状的记录。但是，问题是，无法记录与直线同方向的波动。但是，多个不同方向的设备可以削弱这些不利情况。 |
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