張衡地動(dòng)儀的原理考證

原理考證

      據學(xué)者們考證，張衡在當時(shí)已經(jīng)利用了力學(xué)上的慣性原理，“都柱”實(shí)際上起到的正是慣性擺的作用。同時(shí)張衡對地震波的傳播和方向性也一定有所了解，這些成就在當時(shí)來(lái)說(shuō)是十分了不起的，而歐洲直到1880年，才制成與此類(lèi)似的儀器，比起張衡的發(fā)明足足晚了一千七百多年。關(guān)于張衡地動(dòng)儀的結構，流行的有兩個(gè)版本：王振鐸模型（1951年），即“都柱”是一個(gè)類(lèi)似倒置酒瓶狀的圓柱體，控制龍口的機關(guān)在“都柱”周?chē)?。這一種模型*近已被基本否定。另一種模型由地震局馮銳（2005年）提出，即“都柱”是懸垂擺，擺下方有一個(gè)小球，球位于“米”字形滑道交匯處（即《后漢書(shū)·張衡傳》中所說(shuō)的“關(guān)”），地震時(shí)，“都柱”撥動(dòng)小球，小球擊發(fā)控制龍口的機關(guān)，使龍口張開(kāi)。另外，馮銳模型還把**由面向樽體改為背向樽體并充當儀器的腳。該模型經(jīng)模擬測試，結果與歷史記載吻合。那么，地動(dòng)儀的內部結構究竟什么樣子呢？有不少學(xué)者對此作過(guò)探討。早在南北朝時(shí)，北齊信都芳撰《器準》，隋初臨孝恭作《地動(dòng)銅儀經(jīng)》，都對之有所記述，并傳有它的圖式和制作方法?？上У氖翘拼院?，二書(shū)均失傳。今人的研究則以王振鐸之說(shuō)影響*大。王振鐸根據前人的猜測，討論了地動(dòng)儀內部可能有的各種結構，*后推斷都柱的工作原理與近代地震儀中倒立式震擺相仿。具體說(shuō)來(lái)，都柱就是倒立于儀體中央的一根銅柱，八道圍繞都柱架設。都柱豎直站立，重心高，一有地動(dòng)，就失去平衡，倒入八道中的一道。八道中裝有杠桿，叫做牙機。杠桿穿過(guò)儀體，連接龍頭上頜。都柱傾入道中以后，推動(dòng)杠桿，使龍頭上頜抬起，將銅丸吐出，起到報警作用。地動(dòng)儀用精銅制成，圓經(jīng)八尺，合蓋隆起，形似酒樽。表面作金黃色，上部鑄有八條金龍，分別伏在東、西、南、北及東北、東南、西北、西南八個(gè)方向。龍倒伏，龍首向下，龍嘴各銜一顆小銅球，與地上仰蹲張嘴的蟾蜍相對。地動(dòng)儀空腔中央，立一根銅柱，上粗下細。銅柱周?chē)邪烁鶛M桿，稱(chēng)為“八道”，各與一龍頭相連。銅柱是震擺裝置，八道用來(lái)控制和傳導銅柱運動(dòng)的方向。在地動(dòng)儀受到地震波沖擊時(shí)，銅柱就倒向發(fā)生地震的方向，推動(dòng)同一方向的橫桿和龍頭，張衡地動(dòng)儀使龍嘴張開(kāi)，銅球下落到蟾蜍嘴中，并發(fā)出響聲，以提示人們注意發(fā)生了地震及地震的時(shí)間和方向。一顆珠子放在平臺上，如果將哪方稍微往下一按，珠于就向哪方滾動(dòng)。又如我們點(diǎn)亮一支蠟燭，將它放在一張不平的桌子上，它總會(huì )向低的一方倒。地動(dòng)儀就是根據這些簡(jiǎn)單的原理設計的。地動(dòng)可以傳到很遠的地方，只不過(guò)太遠了人就感覺(jué)不到了，但地動(dòng)儀能準確地測到。但是**科學(xué)家認定地動(dòng)儀的工作原理應該是“懸垂擺原理”，即地動(dòng)儀是利用了一根懸掛柱體的慣性來(lái)驗震的，而非當今歷史教科書(shū)所說(shuō)的在儀器底部簡(jiǎn)單地豎立一根直立桿。