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揭开古代天文仪器神秘面纱:候风地动仪(图)

专题报道中国仪表网2009年01月23日 14:24人气:825

 编者话: 中国的谚语说:「工欲善其事,必先利其器」,就是说一个做工的人要想把工作做得又快又好,必先让他使用的工具变得锋利。天文仪器是天文学发展的基础,因此中国古代的天文学家在这一方面花了不少功夫。中国仪表展览网www.ybzhan.cn将推出专题介绍这些古代天文仪器,缅怀为仪器仪表行业做出过非凡贡献的先祖。
 

 

   候风地动仪是世界上第一架测验地震的仪器。中国东汉时期天文学家张衡于汉顺帝阳嘉元年(132)制成,候风地动仪用精铜制成,直径2.7米,其外形像一个大型酒樽。地动仪里面有精巧的结构,主要为中间的都柱(相当于一种倒立型的震摆)和它周围的八道(装置在摆的周围的8组机械装置)。在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。据史料记载,候风地动仪曾成功地记录了138年发生在甘肃的一次强烈地震,从而证明了它的准确性和可靠性。

  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。(图左)
 

 

  王振铎的推断得到了广泛赞同。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)。
 

 

  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存在价值。

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