候风地动仪

候风地动仪

候风地动仪真实复原图

结构分析

推断：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）。中国湖南省南县职业中专学校教师黄佑军在教研教改中进行了“教学中的科研”尝试，对惯性摆结构提出不同意见，他依据古代地听技术，提出了自己对张衡地动仪的诠释。

候风地动仪复原设计

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。

2011年4月份，湖南省益阳市南县职业中专语文教师黄佑军完成了张衡候风地动仪的复原研究工作。他提出了专利申请：“带八条甬道固定都柱和推力板机关的张衡候风地动仪”。

地动仪之一龙蜍图片由黄佑军提供

候风地动仪的基本构造由如下几部分组成：1、地动仪的外壳——樽体外形。2、八条甬道——由隔板和都柱分隔而成的空间，是安设机关的地方。3、中心固定都柱——对内部构件进行连接和起固定作用的中心柱。4、感震机关装置——推力板机关，类似于秦汉时期的陵墓防盗机关，也类似于捕鼠笼的“踏板机关”。5、报震装置——报震和显示地震方向的构件。地动仪的外壳：樽体外形，有底，顶口有锥形盖子。在樽体的上部位置有八个开口，为龙口；下部相应位置也有八个开口，为安放蟾蜍的插孔，又是安装和调试的入口。八条甬道：由八块隔板、都柱、樽壁、樽底围成的八个区域，对应八个方位，在樽底靠近樽壁的位置开有八个开口，为甬道口。甬道口与龙口、蟾蜍插孔在同一垂直线位置。甬道口是地震波的进入通道，其开口向下，能提高抗干扰能力。中心固定都柱：都柱竖立在樽底中央，与樽底固定连接。都柱可以立于樽底上，也可以穿透樽底。都柱与隔板固定连接，是构成甬道的构件之一。都 柱的上部通过八根横梁与龙口固定连接，使樽体内部牢固、稳定。又是承受都柱锤的地方。感震机关装置：为推力板机关，由推力板、放大杠杆、顶杆、月牙盘、关闩、牙机、牙机杆、都柱锤、龙机杆等构件组成。在两隔板之间安一根横杆，推力板铰接在横杆上。推力板上固接一根传动杆，传动杆销接在一级放大杠杆上，一级放大杠杆一端销接在樽壁上或隔板上，另一端与顶杆一端销接，顶杆销接在关闩架上，顶杆另一端抵近牙机杆上的月牙盘。关闩为“且”字形结构，牙机为牙机杆上钩状体，牙机杆通过牙机钩住关闩杆。牙机杆顶端与都柱锤柄尾部销接，都柱锤柄中部适当位置销接在横梁上，锤能落在都柱上。锤柄的尾部又与龙机杆一端销接，龙机杆销接在横梁上，龙机杆另一端销接一根顶杆，顶杆抵住龙口的球丸。推力板机关，类似于秦汉时期的陵墓防盗机关，也类似于捕鼠笼的“踏板机关”。

地动仪之八甬道图片由黄佑军提供

踏板和推力板是同一构件，将推力板埋于甬道的泥土里，地震波产生的冲力从甬道口进来顶动推力板、触发机关。在推力板机关上装有铜锤，叫都柱锤，机关触发后锤落于都柱上，它相当于捕鼠笼的“闸门”。都柱锤在落下的同时锤柄推动龙机杆击落龙口里的铜丸，掉入蟾蜍嘴里，报震。报震装置：由八只龙首、八只球丸、八只蟾蜍构成。解决“虽一龙发机，而七首不动”这一技术特点“虽一龙发机，而七首不动”是地动仪显示“其牙机巧制”的关键技术。将都柱锤的直径做得大于都柱的半径，且都柱上只能正常落下一只都柱锤；只有当锤正常落在都柱上，都柱锤才能推动龙机杆击落龙口的铜丸。即使八道机关全部触发，也只有一只龙口的铜丸被击落，破解这“虽一龙发机，而七首不动”的技术。测震、验震地震发生时，假设是在东边，则东边的甬道口能进入地震波，而西边的甬道由于隔板和都柱阻隔没有地震波进入；东边甬道里的推力板受到第一道地震波的冲击，发生向上翻动，通过放大杠杆推动顶杆将牙机杆顶离关闩，从而触发机关，落下都柱锤，带动龙机杆将龙口球丸击落、落入下面蟾蜍口中，进行准确报震。当第二道地震波即横波来时，由于没有方向性，其它七道机关全被触发，但七枚都柱锤每一只都不能正常落在都柱上，不能击落球丸。从而，符合文献资料“虽一龙发机，而七首不动”的记载。不管是哪一方向发生了地震，地动仪都能测出震源方向来。地动仪埋入地下，能直接受到地震波的冲击，正如战国时就有的“地听”技术，既减少了地面干扰，又增加了敏感度。地坑铺上沙子细土筑紧，能放大地震波振幅三到四倍；推力板和一级放大杠杆通过调整能将地震波振幅放大约100倍。候风地动仪的灵敏度很高，一级地震的震幅是1--4MM，而牙机与关闩的接触面的横向距离约4MM，只要放大震幅8--10倍就可以触发机关报震。甬道的推力板机关类似于秦汉时期陵墓防盗机关，也类似于捕鼠笼的“踏板机关”。踏板和推力板是同一构件。推力板埋于甬道的泥土里，地震波从甬道口进来顶动推力板触发机关。机关的都柱锤，相当于捕鼠笼的“闸门”，机关触发后锤落于都柱上，同时锤柄推动龙机杆击落龙口的铜丸掉入蟾蜍嘴里，报震显示地震方向。全方位测震地动仪能准确测出八个方位发生的地震，也能测出震中位置的地震来。当地动仪处在震源的震中位置时发生地震，八条甬道都有地震波进入，八道机关全部被触发，只有最先落在都柱上的那一只铜锤能推动龙机杆击落铜丸报震。克服了“倒立摆”和“悬垂摆”在震源位置不能测地震的缺点。当地震发生在地动仪相邻方位的交界线上、或附近位置，这两道机关都会被触发，只有最先被触发的机关能落下铜丸。

地动仪八机关之一图片由黄佑军提供

本技术方案测震构想：1、分散定向测震，集中统一报震。八条甬道里的八套机关分别对应八个方向，八甬道隔板与都柱组合将测震系统分开成八个独立方向区域，八套机关八个锤共用一根都柱，如同古代八人共用碓臼的方法可以实现“一龙发机七首不动”的综合效果。离震源近的机关先触发落锤报告地震信息和显示震源方向。2、八个机关推力板与地动仪进行柔性连接或铰接连接，消除推力板与地动仪的钢性连接，八个独立的机关相当于八个独立的感震器，如同昆虫的八触脚、、能灵敏地接收八方面的动静信号；地动仪从硬性的石头上移下来、安放在泥土泥沙介质的地，消除地动仪与石块的钢性接触。克服硬质石板不能分别显示地动震源的缺陷。3、将中有都柱做大做长深深埋入地下，将八个机关推力板分别与泥土用水浇湿干后粘成一体，用八块隔板将都柱周围泥土区域隔成八个区域、实现“中有都柱傍行八道”；都柱深入地下和八块隔板的配合使用，能有效阻挡一定范围内的地震波对其它感震器的干扰。比如，东边有地震，只有最东面的构件被震动最大些、西面的构件受震动很小甚至没震动，这 样东西方就有个震动差值。（当然不管哪方面有地震也能测知），只要把机关触发值设置成这个差值范围内就行。4、实验：将上述改进后地动仪安装好后，用电子震荡棒在任意方向启动，朝向震荡棒方向的机关先触发吐丸，正确测出震动源方向。

候风地动仪

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（图上没有表示出来，因为是在垂直图画方向上重叠着的）站在转轴上，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。其结构如图3所示，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。

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。

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（见上图）。该模型经模拟测试，结果与历史记载吻合。

这两个模型的基本理论都是错误的。张衡地动仪的工作原理是以古代“候气”的理论，即“葭灰占律”的方式，所以称为“候风地动仪”。张衡地动仪的工作原理不能用现代知识去诠释，更不能只关注它的尊体。 “都”即固定，是针对远古逐水草而居所言，“都柱”即固定的柱，用来感受来自地下的地震波，张衡用“候气”的原理把这种“波”定义为“风”，所以称它为“候风地动仪”。“候”，如果是读过包括《后汉书律历志》在内的古代文献，完全能够理解“候”在这里的含义。 其具体制作方法和工作原理是：在选定的位置深埋入地一根大柱，像远古人们建房时的草房的中心柱，这个柱子用来感应来自地层的地震波。为了避免地面环境对“都柱”的影响，在适当的深度把柱周围掏空，或者先掘土井，然后将大柱埋入压实，距离地面相当距离使柱体与井壁分离，避免来自地面影响对“都柱”的干扰。柱顶收缩为一个有凹面或空心管的顶端。顶端凹面或空心管上置一铜球，铜球直径和顶端凹面或空心管直径可以根据灵敏度需要制定，这就克服了“倒立柱”制作中摩擦系数的难题。都柱顶端放置铜球，犹如旗杆顶端的装饰圆球。在“都柱”开始收缩处，按东、南、西、北、东南、西北、西南、东北八个方向伸出八条轨道。当埋入地下的“都柱”感受到地震波在地层中传播时，会使都柱产生相应的位移。都柱受力位移，位于都柱顶端的铜球中心偏离重心，向力量来源相反方向脱落，都柱四旁八条伸向不同方向的轨道之一承接并导引向相应方位，触动龙口机关，龙口所含铜珠吐出，从而判定地震来源方向。