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张衡发明的地动仪 张衡地动仪真的能预测地震吗 张衡地动仪的发明原理是什么

  中国古代有着非常多的发明,除了着名的四大发明之外,还有很多值得大书特书的创造性发明,比如张衡的地动仪,就算直到现在,人们仍然叹服于古代人民的智慧。现在博物馆里的张衡地动仪其实是后世仿造的,那么历史上真正的张衡地动仪到底有什么作用?张衡地动仪是如何发明出来的?   张衡地动仪真的能预测地震吗?   国家博物馆现陈列的地动仪只是个复原模型,而张衡发明的地动仪已经在1700多年前神秘消失,它的模样和工作原理成为千古谜团。 张衡的地动仪灵敏度是比较高的,有实证:汉顺帝阳嘉三年十一月壬寅,地动仪的一个龙机突然发动,吐出了铜球,掉进了那个蟾蜍的嘴里。当时在京城的人们却丝毫没有感觉到地震的迹象,于是有人开始议论纷纷,责怪地动仪不灵验。没过几天,陇西有人飞马来报,证实那里前几天确实发生了地震,于是人们开始对张衡的高超技术极为信服。陇西距洛阳有一千多里,地动仪标示无误,说明它的测震灵敏度是比较高的。

  根据专家们的研究,当时张衡掌握了非常了不起的知识,他了解了地震波的传播的方向性,同时利用力学的惯性原理,而“都柱”起到了惯性摆的作用。1880年,欧洲才制成类似的仪器,比张衡的发明晚了一千七百多年。   现陈列于国家博物馆的那台地动仪都被大家误以为是出自张衡之手,但那只不过是外形仿似张衡的地动仪,其没有预测地震的能力。   据《后汉书·张衡传》记载:“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。”

  这段仅仅只有196个字记载为我们提供了一些有用信息。首先,候风地动仪绝不是地震预测仪。它只有在地震发生之后才起作用,只不过能比从驿卒更早地通知京城的人士罢了。这就好比我们看到闪电,就知道接下来很可能会听到雷声,但在闪电发生时,雷声也已经同时发生,只不过还没有传到我们耳朵里罢了。其次,根据地震波的传播机理,候风地动仪是不太可能做到“验之以事,合契若神”的。地震发生时,从震源会发出两种波:一种叫P波,是纵波,它引起的物体震动方向和波的前进方向一致;一种叫S波,是横波,它引起的物体震动方向和波的前进方向垂直。P波的速度比S波快,因此最先到达地面,形成地震波中的初波。据初波的震动方向就可以知道震源方向。但初波非常微弱,因为它只能从震源直直地向着地震波接收处地面传播的P波,而这部分P波携带的能量只占地震波全部能量的一小部分。如果候风地动仪能敏感到对“第一哨”初波就做出响应,那么足以有许多别的和地震无关的震动,比如在它附近跺脚,能引起它的反应,从而让人误把许多不是地震的震动也当成是地震。但如果要让候风地动仪保持一定的“迟钝”性,它又有可能无法“感觉”到地震的初波,直到之后的各种波陆续传来时才被“惊醒”,可是这些迟来的波的震动方向已经完全不能代表震源的方向了。   张衡的地动仪是不是能用还不能说,因为至今通过书上的记载复制的地动仪都不起作用。对于张衡的地动仪,书上只有短短的几句话,而且还不是严格的史**载。何况中国的史书上的记载有很多不可信的东西,一个简单的例子是夏朝的存在与否。史书上记载夏朝存在,可是至今从来没有发现任何考古的记录,所以国际上至今不承认夏朝的存在。因此,张衡地动仪是否存在,存在的话是否能起作用,都有很大的疑问。

  张衡地动仪的发明原理是什么?   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,终于在阳嘉元年发明了候风地动仪,这也是世界上的第一架地动仪。

  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,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,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。

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