候風地動儀檢視原始碼討論檢視歷史

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候風地動儀是世界上第一架測驗地震的儀器。由中國東漢時期的科學家張衡發明於漢順帝陽嘉元年（公元132年），《後漢書·張衡傳》詳細記載了張衡的這一發明。候風地動儀用精銅製作而成，員徑八尺，漢八尺約合當今之一米八-九的樣子，其外形像一個酒樽。地動儀裡面有精巧的結構，主要為中間的都柱和它周圍的八套牙機裝置。候風裝置候風擺的周圍與8組牙機機械裝置之一部關相互靠近。此處為底座上的溝槽，叫八道。工作原理是侯風擺運動到關的位置觸發牙機。就是記載的「施關發機」施讀音易四聲。再機發吐丸。在樽的外面相應地設置8個龍首，口含小銅丸，每個龍頭下面都有一隻蟾蜍張口向上。如果有地震被檢測，都柱之內候風擺則輕微擺動，此即可觸發牙機。使相應的龍口張開，小銅珠即落入蟾蜍口中，由此便可知道地震發生的時間和方向。牙機的觸發需求小到可以在地震波第一時間運作，稱為合契若神。

牙機是由一對槓桿構成。水平槓桿負責龍口開合，直立的負責牙機觸發。由於牙機立杆和候風擺的位置關係，由關連接。關就是牙機立杆的一部分。關注道內水平狀，幾乎挨到候風擺之上，距離之近不到一毫米。這是候風地動儀得以成功的關鍵。此外，張衡還設計了一套機械反饋裝置，叫「巧制」。這套設計利用反饋的辦法，阻止了候風部件的連續擺動。巧制設計比西方出現機械反饋設計早很多年。

歷史記載

在中國科學史上，沒有什麼比候風地動儀更為引人注目。它的發明者是東漢時期偉大的科學家張衡。《後漢書·張衡傳》詳細記載了張衡的這一發明：「陽嘉元年，復造候風地動儀，以精銅鑄成。員徑八尺，合蓋隆起，形似酒尊，飾以篆文山龜鳥獸之形。中有都柱，旁行八道，施關發機。外有八龍，首銜銅丸，下有蟾蜍，張口承之。其牙機巧制，皆隱在尊中，覆蓋周密無際。如有地動，尊則振，龍機發，吐丸而蟾蜍銜之，振聲激揚，伺者因此覺知。雖一龍發機，而七首不動，尋其方向，乃知震之所在。驗之以事，合契若神。自書典所記，未之有也。嘗一龍機發，而地不覺動，京師學者咸怪其無征，後數日驛至，果地震隴西，於是皆服其妙。自此以後，乃令史官記地動所從方起。」顯然，所謂候風地動儀，是用來測報地震的儀器。圍繞這一名稱，學界曾有不同意見。一種認為候風地動儀包括了候風儀和地動儀兩種儀器，「候風儀」是用於測風的，「地動儀」才是用於測地震的。另一種觀點則認為，所謂「候風」，即是「候氣」，古人認為地震是由於地「氣」變動所引起的，所以叫「候風地動儀」。從引文來看，「候風地動儀」應為一件儀器，而不是兩件。這裡我們把它作為一件儀器進行介紹。根據引文，「候風地動儀」製成於東漢陽嘉元年（132年），是用精銅鑄造的。儀體形狀就像漢代酒樽。樽上裝飾有篆文山龜鳥獸之形，樽的內部立一根銅柱，張衡稱之為都柱。都柱周圍有八條滑道，稱為「八道」。儀體的外部裝有八條龍，分布在八個方位，龍口各含銅丸一個，龍頭下方各放置一個張口向上的銅蛙（蟾蜍）。儀體內部裝有機關，與體外龍頭相連，一旦發生地震，機關被觸發，龍口打開，銅丸落入銅蛙口中，發出聲音，使掌管人知曉，並能判明地震來源的方向。顯然，地動儀是利用「地震產生推（拉）力使地面物體發生位移」的特性製成的儀器。張衡通過自己巧妙的設計，使地震時儀體與都柱之間產生相對運動，利用這一運動觸發儀內機關，從而將地震報出。張衡地動儀的靈敏度很高，《張衡傳》列舉了一個具體例子：曾有一次，地動儀朝向西邊的那條龍突然吐丸，但當時洛陽城裡並無震感，人們議論紛紛，都說地動儀不可靠。過了幾日，送信人來到洛陽，報告說甘肅發生了大地震，大家這才信服了地動儀的精妙。

結構分析

早在南北朝時，北齊信都芳撰《器准》，隋初臨孝恭作《地動銅儀經》，都對之有所記述，並傳有它的圖式和製作方法。可惜的是唐代以後，二書均失傳。今人的研究則以王振鐸之說影響最大。王振鐸根據前人的猜測，討論了地動儀內部可能有的各種結構，最後推斷都柱的工作原理與近代地震儀中倒立式震擺相仿。具體說來，都柱就是倒立於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，就失去平衡，倒入八道中的一道。八道中裝有槓桿，叫做牙機。槓桿穿過儀體，連接龍頭上頜。都柱傾入道中以後，推動槓桿，使龍頭上頜抬起，將銅丸吐出，起到報警作用。(圖右)

推斷：中國歷史博物館陳列的張衡地震儀模型，就是根據王振鐸的設計復原的。但是，也有學者提出不同意見。中國科學技術大學李志超就曾對倒立擺結構提出過異議，他以全新的視角，提出了自己對候風地動儀的理解（參見李志超，《天人古義》，河南教育出版社，1995年版）。中國湖南省南縣職業中專學校教師黃佑軍在教研教改中進行了「教學中的科研」嘗試，對慣性擺結構提出不同意見，他依據古代地聽技術，提出了自己對張衡地動儀的詮釋。

相關發明

候風儀：一種根據風向、風力與天時結合預測天氣的儀器。由內外兩個鍾和一個托盤，一跟筷子組成。最底下的托盤是正方形的，邊長約40CM，上面畫有完整的包含八卦、干支、七曜的太極圖。托盤的中間插着一根筷子，然後外面扣上第一個鍾，這個鐘在八個方位有八個小口，能使風通過。再在外面扣上第二個鍾，這個鐘沒有小口，但頂上有一個小鳥，作為提手。

使用方法：把兩個鍾都拿下來，只留下地盤和中間的筷子，在筷子的最頂端堆滿香灰，將地盤上掉落的香灰小心擦淨，再依次將兩個鍾扣上。把候風儀端到開闊地帶，然後把最外面的鐘拿掉。平靜放置一段時間，再把外面的鐘扣上。把整個候風儀端到室內平靜放置，將兩個鍾依次拿掉。有專門官員觀察香灰掉落的方位與形狀，並定義出風的方向與級別。然後結合七曜，準確預測出五天以內的天氣情況。

地動儀可能也是根據此候風儀的原理，來檢測地震波。但是地動儀裡面的裝置可能不是筷子和香灰，畢竟如果能夠把香灰震掉的地震波根本用不着地動儀人們就知道地震了。

但是如果地動儀與候風儀的原理相同的話，那地動儀可能也是一種檢測地震的儀器而不是預測地震的儀器。

科學發明

它比歐洲出現地震儀的時間要早一千五百年左右。但由於實物的失傳以及原始文獻記載的簡略，使得今人對其內部結構有不同的理解，這是正常的。但無論如何，張衡的地動儀具有很高的靈敏度，這是大家一致的意見。在此基礎上，通過精心的分析考證、廣泛的學術討論以及合理的模擬實驗，這個問題一定能夠得到解決。

結構模型

關於地動儀的結構，目前流行的有兩個版本：王振鐸模型（1951年），即「都柱」是一個類似倒置酒瓶狀的圓柱體，控制龍口的機關在「都柱」周圍。這一種模型已被基本否定。另一種模型由地震局馮銳（2005年）提出，即「都柱」是懸垂擺，擺下方有一個小球，球位於「米」字形滑道交匯處（即《後漢書·張衡傳》中所說的「關」），地震時，「都柱」撥動小球，小球擊發控制龍口的機關，使龍口張開。另外，馮銳模型還把蛤蟆由面向樽體改為背向樽體並充當儀器的腳（見上圖）。該模型經模擬測試，結果與歷史記載吻合。

這兩個模型的基本理論都是錯誤的。張衡地動儀的工作原理是以古代「候氣」的理論，即「葭灰占律」的方式，所以稱為「候風地動儀」。張衡地動儀的工作原理不能用現代知識去詮釋，更不能只關注它的尊體。 「都」即固定，是針對遠古逐水草而居所言，「都柱」即固定的柱，用來感受來自地下的地震波，張衡用「候氣」的原理把這種「波」定義為「風」，所以稱它為「候風地動儀」。「候」，如果是讀過包括《後漢書律曆志》在內的古代文獻，完全能夠理解「候」在這裡的含義。 其具體製作方法和工作原理是：在選定的位置深埋入地一根大柱，像遠古人們建房時的草房的中心柱，這個柱子用來感應來自地層的地震波。為了避免地面環境對「都柱」的影響，在適當的深度把柱周圍掏空，或者先掘土井，然後將大柱埋入壓實，距離地面相當距離使柱體與井壁分離，避免來自地面影響對「都柱」的干擾。柱頂收縮為一個有凹面或空心管的頂端。頂端凹面或空心管上置一銅球，銅球直徑和頂端凹面或空心管直徑可以根據靈敏度需要制定，這就克服了「倒立柱」製作中摩擦係數的難題。都柱頂端放置銅球，猶如旗杆頂端的裝飾圓球。在「都柱」開始收縮處，按東、南、西、北、東南、西北、西南、東北八個方向伸出八條軌道。當埋入地下的「都柱」感受到地震波在地層中傳播時，會使都柱產生相應的位移。都柱受力位移，位於都柱頂端的銅球中心偏離重心，向力量來源相反方向脫落，都柱四旁八條伸向不同方向的軌道之一承接並導引向相應方位，觸動龍口機關，龍口所含銅珠吐出，從而判定地震來源方向。

視頻

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