候风地动仪（中国东汉科学家张衡发明的测量地震的仪器）

候风地动仪

中国东汉科学家张衡发明的测量地震的仪器

候风地动仪，樽的外面相应地设置8条口含小铜珠的龙，每个龙头下面都有一只蟾蜍张口向上。如果发生较强的地震，都柱因受到震动而失去平衡，这样就会触动八道中的一道，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。

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。它的发明者是东汉大科学家张衡。

《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。

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，地动仪是利用物体惯性制成的仪器。

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。

地动仪的结构模型

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。这一种模型最近已被基本否定。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。该模型经模拟测试，结果与历史记载吻合。

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。

李志超所想的候风地动仪

李志超认为，从文献角度来看，汉代字书《释名》解释“柱”，说“柱，住也”，表明柱字原义是建筑中不动的支撑件。由此，倒立摆结构不得称“柱”，只合称锥。“都”是集总之义，说明不是孤柱，应该还附带八套机关，而立锥却只能是光杆。这样，仅由“都柱”这一名称来看，倒立摆之说也不能成立。

李志超进一步指出，倒立锥的设计使原文所述其他一切部件皆成画蛇添足。尤其是庞大的铜尊，毫无道理可言。再者，从物理评价角度来看，任何测量仪器的性能一般都可用两个互相矛盾的指标表征：灵敏度和稳定度。倒立锥的设计正好突出了精密计量技术这一主要矛盾。

例如，为提高地动仪的灵敏度，就要把倒立锥的锥底做得很小，使之形成一个锥尖，但很小的锥尖承受巨大的重力压强，在不可避免的微小震动作用中必将逐渐形成不可逆的变形，其趋向是锥尖下面的支承面形成坑窝，锥尖变得圆滑。

这一过程不可逆，而且是加速的。这样，倒立锥最终要倒下来，不管有无地震。如果为提高稳定度，将锥尖做成宽到实际不变形，那它的灵敏度必然很低，感知量比人所能察觉的还要大，地动仪也就失去了它的实用价值。

复杂难度

都柱的尺寸推想为高一丈、直径二尺，这可与总体协调。都柱与尊一样，都有足够的重量，这样才可以从地震获取充足的能量，不愁“施关发机”所必需的力不够大。

另外，尊的巨大质量能起到屏蔽作用，减少都柱受到的干扰，防止误报。地动仪的全部“牙机巧制”则装设在都柱及其座脚上，这样符合“都”字本义。

铜尊是一个带盖的大桶，尊的侧壁上对称地设八个圆孔，孔的直径略小于铜丸，孔外饰以龙首，孔即为龙的喉，喉外为龙舌，舌有浅窝以置铜丸，铜丸靠在喉孔上，既不会掉入尊内，又把喉孔盖紧了。龙首和龙体都只是装饰浮雕。一旦地震，都柱与尊发生相对位移，“施关发机”，龙机将铜丸推出，落入蟾蜍口中，起到报警作用。

为了改善蟾蜍的声学效应，还可以考虑在蟾蜍腹内另设响器，如方响之类，这可以更接近原文所描述的“振声激扬”的效果。原文中提到的“牙机巧制”，李志超将其复原为两级放大杠杆。而所谓“关”，则被设计成分立横棒，一端顶紧前级杠杆的输入端，一端顶紧尊的上沿。“关”的作用在于当都柱与尊发生相对位移时触发放大杠杆。

为了与原文“龙机”的说法一致，李志超把推动铜丸的杠杆设计成龙形，让它的下面有两条腿在转轴上，尾巴横折又上翘，构成受控的牙。它的上身有两只“手”，是执行自锁功能的。设置自锁机构的目的是为了实现原文所说的“虽一龙发机而七首不动”。

李志超称该机构为龙锁，是一个悬吊水平环，该环用八条垂直细钩吊在尊沿上，又用八条水平细钩牵着都柱，所以只能作小角度转动，但足够自由。环上有16个小立柱，每一对小立柱对着一龙的双“手”，龙“手”是装在龙体前的一对爪，爪是有斜缝的掌面，在向前运动时嵌入龙锁小柱，并拨动龙锁转一个小角度，于是其余七对小柱与对应的龙爪偏离，就把它们闭锁住了。

在整复时，落丸龙“手”被推复位，也把龙锁带动复位。

参考资料

1.河南一对父子历时6年 复原张衡候风地动仪(图)·搜狐新闻