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地动仪(3)中国历史事件

地动仪是中国东汉科学家张衡创造的一传世杰作。张衡所处的东汉时代,地震比较频繁。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,这也是世界上的第一架地动仪 。

地动仪(3)介绍

黄佑军认为:在桌子上放下个架子,架子上挂一个灯笼,如果说张衡推下桌子,灯笼向推力方向摆动,如果说张衡拉下桌子,灯笼向拉力方向摆动。站的方向没有发生变化,灯笼却发生变化,因此惯性摆原理是不能准确测出地震方向的。地震发生时,大地受到地震的推拉力,地动山摇。如果用灯笼原理做地动仪是不能准确无误测出地震方向的。假设:东西方相距5公里,东边发生地震,东边翻板先被地震波触发,一秒钟后,西方的翻板才被地震波触发,东边相连的重锤先落在都柱上,西边相连的重锤后落。以此可测定东边地震。而吊篮是不能准确测陷落地震的。而翻板机关,可以设计成推也触发机关、拉也触发机关。翻板的固定也是有讲究的,可以用两根小径棍子打入地下(沙地并用水浇湿沉降坚实),棍子顶端压块大石头,翻板铰接在两棍子上,翻板埋入地下,地震时,棍子受到地震波时,由于惯性原理,棍子发生位移量小于翻板的位移量,翻板翻转推动机关。也可假设:方圆十里的城,在城中心设一都柱,再在柱子上挂八个重锤,重锤通过长绳子分别与八个城门连接,如果东边发生地震(不管是膨胀地震还是陷落地震),东边的城门先震动触发机关,一秒针后,西边的城门才震动触发机关,东边的锤子先落下,正确测出地震方向。

黄佑军指出:古代的人们根本不知道地震发生的原理,更不知道横波纵波,地震时只感觉到“地动山摇”。他们认为地震就是“地动”。古代人民如何测出地震地动的方向呢?这是个谜!但是,古代战国时期发生战争时,敌人挖地道攻城。如何发现敌人在挖地道呢?当时守城人想到一个办法:用镐挖土时、地下会发生细微“地动”,水缸蒙上薄牛皮放入井下,牛皮颤动并会发出嗡嗡声,这说明敌人在挖地道了 !但是,如何发现敌人挖地道的方向呢?人们在距竖井底四、五尺高的井壁的不同方向掏洞放上这种蒙上牛皮的水缸,当他们听到水缸发出响声时,找到最响和没有响声的水缸,顺着这条直线就是敌人挖地道的方向 。——这就是中国古代的地听技术!

黄佑军进一步指出:秦汉时期陵墓机关 ,如果与地听技术接合起来就成了简单的报警机关。在大水缸的牛皮上粘接一块小铜片做关闩,再将机关的关闩架抵住这块铜片(铜片可以在关闩架上下滑动),扣上牙机,就成了一套完整的机关。只要关闩滑动一毫米的位移就能触发机关。这在当时是能做到的。水缸口径越大牛皮颤动的幅度就越大,效果就越明显。“七石缸”就是比较大的缸了,《武备志》中记载:“瓮听,用七石瓮,……”。

原理考证

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,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。