张衡的地震仪

张衡地动仪真的有用吗~

地震是一种破坏力大的地质灾害。在我国的东汉时期，就有一个叫张衡的学者，发明了一款叫做“地动仪”的仪器——此仪器据说能判定地震发生的方位（因为古代没有电话与遥感卫星，所以看起来这个仪器对于及时救灾还是很实用），那么，张衡的地动仪是不是真的有效呢？　　我们可以从力学的角度上来分析这个事情。
　　我们知道，张衡时代的仪器是机械仪器，那时候还没有电子设备，什么传感器，模拟电路与数字电路都是没有的，唯一有的就是青铜器。那么张衡在公元134年前做的地动仪的核心部件就是一个青铜的圆柱子——根据《后汉书》的语焉不详的记载，我们大致可以判断，该圆柱子可以存在3种不同的可能性，分别是：
a：上端自由，下端固定
b：下端自由，上端固定
c：上端与下端都是自由的，都不固定

三种不同的圆柱子摆放方式
地震发生前，这根圆柱子会朝某一个方向倾倒，砸中那个方向上的龙吐出珠子，被底下的蛤蟆接住。
　　因此，从力学原理上来看，这圆柱子在地震来临之时倾倒，这就是利用了所谓“共振”的物理原理。
　　共振的意思是说：铜柱子的固有频率（任何固体都有一个固有频率，所有大桥也有固有频率，军队在大桥上齐步走的频率如果与大桥固有频率相同，就会发生共振）与地震来临前发射的次声波（一种频率小于20赫兹的声波）的频率非常非常接近，所以铜柱子从地震次声波里吸收了能量，导致共振的发生，铜柱子的振幅越来越大，马上就会倒塌。

因共振而崩溃的大桥
　　那么，问题来了，铜柱子应该朝哪个方向倒塌？
　　根据中国地震台网冯锐等人的试验，铜柱子的倒塌方向是随机的，不一定会朝地震发生的那个方向倒塌。
　　因此，可以说，张衡的“地动仪”是利用“共振”原理来工作，这一点是值得肯定的（因为地震前的次声波传播速度很快，在地震的纵波与横波传过来之前，次声波早一步到达事发地点，因此这个地动仪有一定的预测地震的作用），但此“地动仪”是无法判定地震发生的方位的。
　　用共振来解释生活现象， 从东汉到晋朝，已经成为当时学界的主流思想之一。晋朝学者张华就曾经在他的书《博物志》里解释了一个现象：当时有些老百姓家里的铜脸盘每天早上晚上都会莫名其妙的自己颤抖起来，发出嗡嗡的声音，张华解释说，这是因为铜脸盘的固有频率与皇宫里早晚2次敲钟的声音频率一致了，发生了共振。
　　因此，张衡的地动仪，也可以被张华的理论所解释。
　　由于张衡的地动仪早已失传，现在我们能看到的地动仪模型都是后人根据史籍复原的。其中现在最常见的老模型，即1951年的王振铎模型，近年已被证明从外形到原理均错误。另一种模型由中国地震局冯锐（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，上面提到的第2种情况的圆柱子灵敏度高，在地震发生的时候能做出很好的响应，但无法感知地震发生的方位，试验结果与历史记载（张衡地动仪预测陇西地震这件事情）部分吻合。

冯锐等人重现的张衡地动仪模型
　　因此，要想预测地震的方位，还需要更先进的仪器设备，这对东汉时代的张衡来说，是一个不可能完成的任务。


作者：蝌蚪君

的确失传了，不过正在复原之中，已有初步成果了


中国地震学家和考古学家近日宣布，通过大量理论计算和科学实验，失传千年的张衡地动仪的复原工作取得了重大进展，实现了地动仪的科学复原，新的复原模型已具备了验震功能。

原理并非教科书说的那么简单

通过严谨的科学研究，证明了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。这个原理的科学性得到了专家的明确肯定。

由中国科学院、国家博物馆、中国地震局等研究单位数名地震学、考古学、文物学、机械工程学等相关学科的专家组成的验收委员会经过认真讨论后认为，新模型首次把概念模型复原成了具有验震功能的科学仪器，迈出了复原研究的历史性一步。复原工作通过了专家的验收。

“复原的这台地动仪模型代表了目前现代人的认识，是现阶段最好的。”中国科学院院士滕吉文说。

新复原地动仪模型是按照史料做的重新设计，其1／3小样目前陈列在河南博物院内。它以出土的汉代酒樽为基本造型，上部为穹隆的顶盖，饰以青龙、白虎、朱雀、玄武四神的图案；下部呈直筒状，四周有八个立雕的龙头，器壁刻有汉代的纹饰；底部的八个蟾蜍作为仪器的支点，背内面外，向上张口，承接龙口吐出的铜丸。这种新的设计更加接近汉代风格，更接近史料中对地动仪的描述。

原来的地动仪模型无法检测地震

张衡地动仪是人类历史上的第一台验震器，在1700多年前神秘消失，它的外观和原理长期成为人们心中的谜团。有幸的是，《后汉书•张衡传》对地动仪做了记载，不过总共只有196个字，“……以精铜铸成，圆径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱，傍行八道，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……”根据这一史料，中外科学家一直试图复原它。

19世纪末，日本和英国的科学家先后绘制出复原模型。目前家喻户晓的地动仪模型是中国历史博物馆科技文物专家王振铎于1951年设计的，其内部结构采用的是直立杆原理。但是，几十年来，国内外地震学界一直对这个模型的科学性表示怀疑甚至否定，因为它并不能检测地震，更有西方学者认为张衡地动仪是因为没有达到科学要求才失传的。

20世纪70年代后，国内外相继提出了6种新的地动仪复原模型。这些都属于概念模型，也就是说都没有经过严格的地震学理论计算、参数标定与实验检测的模型，是地动仪复原研究的初期结果。

以中国地震台网中心研究员冯锐为负责人的研究小组，从2002年起开始了地动仪的原理复原研究，2004年7月与河南博物院合作，进一步组织了地震学、机械工程学、考古学、美术学等多学科的专家共同开展工作。他们收集了大量有关地动仪的史料，还首次利用了《续汉书》和《后汉纪》对地动仪的记载取得了研制新模型的更多依据，不仅证明了地动仪的存在及确实工作过的真实性，还明确了张衡地动仪在现代地震学起步阶段曾经起过的重要思想启迪作用。

专家验收委员会指出，研究小组正确地理解了古书的记载，即地动仪的内部结构由柱、关、道、机、丸五部分组成，并按着悬垂摆原理和汉代的技术水平合理地设计了相应的结构，分析了地震波径向分量对地动仪的作用、共振效应和触发机构。

新模型对人为干扰一直未出现误触发

新的研究不仅揭示出导致地动仪有过明确反应的陇西地震发生在公元134年12月13日，还估算出了洛阳的地面振动幅度。专家一致赞同对陇西地震参数所作的推断和估算。

冯锐研究员告诉记者，整个工作是本着“原理正确，结构合理，还原历史”的原则开展的。在设计新的复原模型时，不仅利用洛阳地震台对陇西地震的记录做过大量严谨的理论计算，还制作了原大地动仪的框架结构在振动台上开展过一系列基础实验，取得了大量的基本参数。

最后，研究组利用了唐山、越南、云南等4次实际地震资料，通过计算机的控制，在振动台上实现了相当于当年陇西地震在洛阳的极其微弱的地面振动，然后把新复原模型放到振动台上验证。结果表明，新模型对地震的反应良好，对非地震的人为干扰一直未出现误触发。

从1875年日本人首先开始进行地动仪复原研究算起，至今已经130年，专家验收委员会一致认为，我国科学家的研究工作迈出了把张衡地动仪复原成科学仪器的关键性的一步。

冯锐研究员表示，目前的复原只是阶段性成果，整个工作还没有结束，内部结构需要优化，外观造型也需要征求公众意见，以便进一步完善，实现整体的统一。

现在中国所见到的地动仪，并不是张衡发明的地动仪，而是后人复原的。张衡发明的地动仪早就毁于战火了，地动仪发明于阳嘉元年(公元132年)。这是他在太史令任上的最后一件大工作。在《后汉书·张衡传》中对这件事有较详细的记载。自19世纪以来即有人力图运用现代科技知识，根据《后汉书》的记载来复原张衡的这项伟大的发明。到了20世纪50年代，王振铎先生“复原”了张衡地动仪（见右图），并且被认为是科学的，甚至广泛的被纳入小学生课本。不过，王振铎复原的地动仪多次在公开场合大出洋像，它要么不能动，要么就是跺脚也会被当成地震，可是人们却误信王振铎的复原就是张衡原本的发明， 国内外学者也因此早就开始不停的否定它。其中不乏言辞激烈者，这给张衡甚至整个中国古代科技的名誉带来很大的负面影响。现今证明，不是张衡的地动仪有错，而是王振铎先生的复原有原理性错误。不过，王振铎在地动仪外型上的复原，还是卓有建树的，这点应该肯定。 　　 关于地动仪的结构，目前流行的有两个版本：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（见于袁宏的《后汉纪》）,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，冯锐模型还把蟾蜍由面向樽体改为背向樽体并充当仪器的脚（见左图）。该模型经模拟测试，结果与历史记载吻合。 　　张衡这台仪器性能良好，曾预报过洛阳的一次地震，据当时记载：“验之以事，合契若神。”甚至可以测到发生在数千里外而在洛阳并无人有震感的地震。这台仪器不仅博得当时人的叹服，就是在今天的科学家看来也无不赞叹。世界上地震频繁，但真正能用仪器来观测地震，在国外，那是19世纪以后的事。候风地动仪乃是世界上的地震仪之祖。虽然它的功能尚只限于测知震中的大概方位，但它却超越了世界科技的发展约1800年之久！

有，可惜实物在战乱时好像被毁了。

有，但只能测方位，不能测时间

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靖宇县19139745436： 张衡发明的世界上最早的地震仪叫什么 - ？
独帖溴隐：[答案] 张衡发明了最早的地震仪,称为候风地动仪 公元132年,我国著名科学家张衡发明了最早的地震仪,称为候风地动仪.它全部用精铜铸成,外形很像-只带盖的凸肚茶杯,中间的椭圆形球表面铸着八条龙,龙头对准东、南、西、北、东南、东北、西南...

靖宇县19139745436： 张衡为什么发明地震仪? - ？
独帖溴隐：[答案] 张衡生于公元78年,死于139年,是我国古代杰出的科学家.他在数学、天文、地震等方面,都有突出的成就...地动仪是汉代科学家张衡的又一传世杰作.在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经历

靖宇县19139745436： 东汉张衡发明“地动仪”的用途是? - ？
独帖溴隐：[答案] 张衡的“地动仪”在当时的条件下只能遥测出地震大概发生在那个方向,并且有一定的滞后性,得到通知往往会延迟几天.并且并不能预测地震的发生,测震同时,地震在远方已经发生.而且它只能测较远的地方,假如地震发生在附近,地动仪就无法...

靖宇县19139745436： 有谁知道张衡发明的地震仪是派什么用的啊地震仪不是早就发明了吗.为什么这么大的地震就是测不出来呢?地震仪到底是派什么用的呢/ - ？
独帖溴隐：[答案] 张衡发明的地震仪早就失传了.再说,张衡的地震仪能不能预测地震还不确定,因为根据史料记载,张衡的地动仪是在地震发生第一时间确定地震的方位,根本没有预报地震的记录. 现在的技术水平根本测不出地震来,世界上唯一一次准确预测地震的...

靖宇县19139745436： 有关地震仪的选择题 中国东汉张衡是第一架观测地震方位仪的发明家,请问他的地震仪是根据什么原理运作的?() - ？
独帖溴隐：[选项] A. 平衡 B. 抽象 C. 光学 D. 杠杆

靖宇县19139745436： 张衡的地动仪在哪里 - ？
独帖溴隐：[答案] 地动仪是汉代科学家张衡的又一传世杰作,在张衡所处的东汉时代,地震比较频繁.据《后汉书·五行志》记载,自和帝永元四年(公元92年)到安帝延光四年(公元125年)的三十多年间,共发生了二十六次大的地震,地震区有时大到几十个郡,引...

靖宇县19139745436： 张衡发明的地震仪现在何处?还有无用武之地?我的意见是基于3位的意见之合而成.首先地震仪作为一国之宝竟然会遗失?就好似“手中之宝不心待,偏用地... - ？
独帖溴隐：[答案] 早已遗失了,现在我们看到的是解放后的学者根据史书的描述而做出的一个模型. 最近已有一位学者论证了解放初期的地震仪模型是错误的,经过实验得出了新的模型,经过测试能达到史书上记载的地震仪的功能. 古代的帝王并没有把地动仪看成国宝...

靖宇县19139745436： 张衡用地动仪测出的四次大地震分别是哪? - ？
独帖溴隐：[答案] 张衡只是发明地震测量仪!~ 并没有预测4个地震区!~ 是李四光预测的4个地震区!~

靖宇县19139745436： 地震仪的作用是什么? - ？
独帖溴隐：[答案] 地震仪是用来测量地震的方位的仪器.我国汉朝的科学家张衡,在公元132年就制成了世界上最早的地震仪——地动仪. 这架仪器是铜铸的,形状像一个酒樽,四周有八个龙头,龙头对着东、南、西、北、东南、西南、东北、西北八个方向.龙嘴是活动...