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发明世界上第一台地动仪及候风仪

2012/12/13 15:26:21  来自:河洛文化数字资源库

      东汉时期,中国发生地震的次数是比较多的,为了测定地震方位,及时地挽救人民的生命财产,公元126年,张衡在第二次担任太史令之后,就注意掌握收集地震的情报和记录,经过多年的潜心研究,终于在公元132年(东汉顺帝阳嘉元年),发明了世界上第一台测定地震方位的科学仪器——地动仪。利用它,不但可以知道有没有发生地震,而且可以测出地震的方向。这个地动仪是用精铜铸成的,形状象一个酒尊,直径为八尺。仪器上有一个隆起的顶盖,仪器的外部刻有篆文以及山、龟、鸟、兽等图形。仪器的内部有一根都柱,这根柱能够沿导轨向八个方向侧移,并以此操纵一个启(发)、闭(关)的开关。它的外部,有八条龙,每一个龙头的口中都衔有一颗铜丸,在底座周围则有八只张着口的蟾蜍和龙头相对,以便随时承受从龙口中落下的铜丸。地动仪的牙机制得非常精巧,全部装在仪器的内部,盖子盖得非常严密,连一点缝隙也没有。一旦发生了地震,地动仪就会受到振动,结果就会有一个龙嘴吐出铜丸,让它下面的蟾蜍把铜丸衔着。这时,地动仪就会发出响亮的声音,从而引起看守人员的注意。尽管有一条龙的机关受到触发,但其余七条龙则会保持不动,因此,只要知道哪一条龙受到触发,就可以知道地震来自什么方向。根据所发生的地震的事实加以验证,地动仪所指出的地震方向和地震实际发生的方向几乎一点不差。
        张衡的地动仪基本上是由两部分组成:一部分是表达惯性运动的摆,(《张衡列传》叫都柱),另一部分是设在摆的周围与仪体相接联的八个方向的八组杠杆机械,两者都装置在一座密闭的铜仪中。都柱是我国古代建筑中心柱的名称,张衡地动仪中的都柱,就是沿用这个定义。由此可知,张衡是受到地震灾害中房倒屋塌的启示,利用不稳定平衡的原理,在仪器中央安装着一根在静止状态下能够直立的柱,如果发生了地震,由于地震波的震动,使都柱产生位移,平衡遭受破坏,就要倾倒下去。由于地震波的纵波转播较快而走在前边,而且又从大地内部传来,所以都柱的基部首先受到纵波的推力而产生和震源方向相对的位移。但在都柱的顶部,还保持在原来的位置。因而造成都柱向着震源方向的倾斜状态,于是就重心偏移,平衡遭受坡坏,都柱便向着震源的方向倒下去。都柱倾倒灵敏度的高低差别,取决于都柱的高和底面直径的比值的大小。此外,以都柱为中心而设置的八组杠杆机械,其用途是在地震时,摆由于本身惯性而与仪体发生相对的位移,失去平衡而倾斜,推开一组杠杆,使这组杠杆与仪体外部相联的龙头吐出铜丸,落入蟾蜍口中,通过击落的声响和落丸的方位来报告地震和记录地震的方向。
        从历史上的记载来看,张衡的地动仪是颇为灵敏的。公元138年,陇西(今甘肃省东南部)发生了地震,陇西离洛阳一千多里,但张衡的地动仪向西北方向的一条龙吐出了铜球,测出西北方发生地震,当时住在洛阳的人都丝毫没有感觉到地震。洛阳的官僚、学者们议论纷纷,怀疑地动仪是否准确。过了几天,陇西果然送来了报告,说那里发生了地震,于是,大家都承认这个仪器非常神妙。从洛阳人没有震感的情况来分析,地动仪可以测出的最低震级为3级左右,在当时的技术条件下,这是一个十分了不起的成就。从此,我国开始了远距离测量地震的历史。
         张衡制成的地动仪是人类历史上的首创,是人类文明史上用科学方法认识地震的第一次勇敢尝试,它揭开了地震科学的新纪元。我们可以毫不夸张地说,张衡是世代人类从事地震科学研究的先驱和世界公认的地震学的泰斗。在张衡成功地研制出地动仪之后,又经过了1748年,欧洲才制造出同地动仪相类似的仪器。
         张衡除发明了地动仪以外,还制造过另一件有关气象学的仪器——候风仪。人们在谈论张衡的科学创造时,多是把“候风地动仪”认为是一件仪器,不大注意“候风”两个字的意义。竺可桢先生特别指出:《后汉书•张衡传》里所记“阳嘉元年复造候风地动仪”一句,是候风仪和地动仪两个仪器创造的记叙,不过《后汉书•张衡传》把候风仪的情况忽略了没有写出来。竺可桢先生在《中国过去气象学上的成就》一文里写道:“在气象仪器方面,雨量器和风信器都是中国人的发明,算年代要比西洋早得多。《后汉书•张衡传》‘阳嘉元年复造候风地动仪’,《后汉书》单说到地动仪的结构,没有一个字提到候风仪是如何样子的,因此有人疑心以为候风地动仪是一件仪器,其实不然。《三辅黄图》是后汉或魏晋人所著的。书中说:‘长安宫南有灵台,高十五仞,上有浑仪,张衡所制,又有相风铜鸟,遇风乃动。’明明是说相风铜鸟是另一种仪器,其制法在汉书上虽然说得不详细,但是根据《观象玩占》书里所说的:‘凡俟风必于高平远畅之地,立五丈竿,于竿首作磐,上作三足鸟,两足连上外立,一足系下内转,风来则转,回首向之,鸟口衔花,花施则占之。’由此可知,张衡的候风铜鸟和西洋屋顶上的候风鸡是相类似的。西洋的候风鸡到12世纪的时候始见之于载籍,要比张衡候风铜鸟的记载迟了1000年”。

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