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候风地动仪是世界上第一架测验地震的仪器。由中国东汉时期的科学家张衡发明于汉顺帝阳嘉元年（公元132年），《后汉书·张衡传》详细记载了张衡的这一发明。候风地动仪用精铜制作而成，员径八尺，汉八尺约合当今之一米八-九的样子，其外形像一个酒樽。地动仪里面有精巧的结构，主要为中间的都柱和它周围的八套牙机装置。候风装置候风摆的周围与8组牙机机械装置之一部关相互靠近。此处为底座上的沟槽，叫八道。工作原理是侯风摆运动到关的位置触发牙机。就是记载的“施关发机”施读音易四声。再机发吐丸。在樽的外面相应地设置8个龙首，口含小铜丸，每个龙头下面都有一只蟾蜍张口向上。如果有地震被检测，都柱之内候风摆则轻微摆动，此即可触发牙机。使相应的龙口张开，小铜珠即落入蟾蜍口中，由此便可知道地震发生的时间和方向。牙机的触发需求小到可以在地震波第一时间运作，称为合契若神。

牙机是由一对杠杆构成。水平杠杆负责龙口开合，直立的负责牙机触发。由于牙机立杆和候风摆的位置关系，由关连接。关就是牙机立杆的一部分。关注道内水平状，几乎挨到候风摆之上，距离之近不到一毫米。这是候风地动仪得以成功的关键。此外，张衡还设计了一套机械反馈装置，叫“巧制”。这套设计利用反馈的办法，阻止了候风部件的连续摆动。巧制设计比西方出现机械反馈设计早很多年。

历史记载

在中国科学史上，没有什么比候风地动仪更为引人注目。它的发明者是东汉时期伟大的科学家张衡。《后汉书·张衡传》详细记载了张衡的这一发明：“阳嘉元年，复造候风地动仪，以精铜铸成。员径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱，旁行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际。如有地动，尊则振，龙机发，吐丸而蟾蜍衔之，振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙发机，而七首不动，寻其方向，乃知震之所在。验之以事，合契若神。自书典所记，未之有也。尝一龙机发，而地不觉动，京师学者咸怪其无征，后数日驿至，果地震陇西，于是皆服其妙。自此以后，乃令史官记地动所从方起。”显然，所谓候风地动仪，是用来测报地震的仪器。围绕这一名称，学界曾有不同意见。一种认为候风地动仪包括了候风仪和地动仪两种仪器，“候风仪”是用于测风的，“地动仪”才是用于测地震的。另一种观点则认为，所谓“候风”，即是“候气”，古人认为地震是由于地“气”变动所引起的，所以叫“候风地动仪”。从引文来看，“候风地动仪”应为一件仪器，而不是两件。这里我们把它作为一件仪器进行介绍。根据引文，“候风地动仪”制成于东汉阳嘉元年（132年），是用精铜铸造的。仪体形状就像汉代酒樽。樽上装饰有篆文山龟鸟兽之形，樽的内部立一根铜柱，张衡称之为都柱。都柱周围有八条滑道，称为“八道”。仪体的外部装有八条龙，分布在八个方位，龙口各含铜丸一个，龙头下方各放置一个张口向上的铜蛙（蟾蜍）。仪体内部装有机关，与体外龙头相连，一旦发生地震，机关被触发，龙口打开，铜丸落入铜蛙口中，发出声音，使掌管人知晓，并能判明地震来源的方向。显然，地动仪是利用“地震产生推（拉）力使地面物体发生位移”的特性制成的仪器。张衡通过自己巧妙的设计，使地震时仪体与都柱之间产生相对运动，利用这一运动触发仪内机关，从而将地震报出。张衡地动仪的灵敏度很高，《张衡传》列举了一个具体例子：曾有一次，地动仪朝向西边的那条龙突然吐丸，但当时洛阳城里并无震感，人们议论纷纷，都说地动仪不可靠。过了几日，送信人来到洛阳，报告说甘肃发生了大地震，大家这才信服了地动仪的精妙。

结构分析

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。(图右)

推断：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）。中国湖南省南县职业中专学校教师黄佑军在教研教改中进行了“教学中的科研”尝试，对惯性摆结构提出不同意见，他依据古代地听技术，提出了自己对张衡地动仪的诠释。

相关发明

候风仪：一种根据风向、风力与天时结合预测天气的仪器。由内外两个钟和一个托盘，一跟筷子组成。最底下的托盘是正方形的，边长约40CM，上面画有完整的包含八卦、干支、七曜的太极图。托盘的中间插着一根筷子，然后外面扣上第一个钟，这个钟在八个方位有八个小口，能使风通过。再在外面扣上第二个钟，这个钟没有小口，但顶上有一个小鸟，作为提手。

使用方法：把两个钟都拿下来，只留下地盘和中间的筷子，在筷子的最顶端堆满香灰，将地盘上掉落的香灰小心擦净，再依次将两个钟扣上。把候风仪端到开阔地带，然后把最外面的钟拿掉。平静放置一段时间，再把外面的钟扣上。把整个候风仪端到室内平静放置，将两个钟依次拿掉。有专门官员观察香灰掉落的方位与形状，并定义出风的方向与级别。然后结合七曜，准确预测出五天以内的天气情况。

地动仪可能也是根据此候风仪的原理，来检测地震波。但是地动仪里面的装置可能不是筷子和香灰，毕竟如果能够把香灰震掉的地震波根本用不着地动仪人们就知道地震了。

但是如果地动仪与候风仪的原理相同的话，那地动仪可能也是一种检测地震的仪器而不是预测地震的仪器。

科学发明

它比欧洲出现地震仪的时间要早一千五百年左右。但由于实物的失传以及原始文献记载的简略，使得今人对其内部结构有不同的理解，这是正常的。但无论如何，张衡的地动仪具有很高的灵敏度，这是大家一致的意见。在此基础上，通过精心的分析考证、广泛的学术讨论以及合理的模拟实验，这个问题一定能够得到解决。

结构模型

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。

这两个模型的基本理论都是错误的。张衡地动仪的工作原理是以古代“候气”的理论，即“葭灰占律”的方式，所以称为“候风地动仪”。张衡地动仪的工作原理不能用现代知识去诠释，更不能只关注它的尊体。 “都”即固定，是针对远古逐水草而居所言，“都柱”即固定的柱，用来感受来自地下的地震波，张衡用“候气”的原理把这种“波”定义为“风”，所以称它为“候风地动仪”。“候”，如果是读过包括《后汉书律历志》在内的古代文献，完全能够理解“候”在这里的含义。 其具体制作方法和工作原理是：在选定的位置深埋入地一根大柱，像远古人们建房时的草房的中心柱，这个柱子用来感应来自地层的地震波。为了避免地面环境对“都柱”的影响，在适当的深度把柱周围掏空，或者先掘土井，然后将大柱埋入压实，距离地面相当距离使柱体与井壁分离，避免来自地面影响对“都柱”的干扰。柱顶收缩为一个有凹面或空心管的顶端。顶端凹面或空心管上置一铜球，铜球直径和顶端凹面或空心管直径可以根据灵敏度需要制定，这就克服了“倒立柱”制作中摩擦系数的难题。都柱顶端放置铜球，犹如旗杆顶端的装饰圆球。在“都柱”开始收缩处，按东、南、西、北、东南、西北、西南、东北八个方向伸出八条轨道。当埋入地下的“都柱”感受到地震波在地层中传播时，会使都柱产生相应的位移。都柱受力位移，位于都柱顶端的铜球中心偏离重心，向力量来源相反方向脱落，都柱四旁八条伸向不同方向的轨道之一承接并导引向相应方位，触动龙口机关，龙口所含铜珠吐出，从而判定地震来源方向。

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