标题：候风地动仪
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候风地动仪
  候风地动仪真实复原图
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  候风地动仪觉知。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。”
显然，所谓候风地动仪，是用来测报地震的仪器。围绕这一名称，学界曾有不同意见。一种认为候风地动仪包括了候风仪和地动仪两种仪器，“候风仪”是用于测风的，“地动仪”才是用于测地震的。另一种观点则认为，所谓“候风”，即是“候气”，古人认为地震是由于地“气”变动所引起的，所以叫“候风地动仪”。从引文来看，“候风地动仪”应为一件仪器，而不是两件。这里我们把它作为一件仪器进行介绍。
根据引文，“候风地动仪”制成于东汉阳嘉元年（132年），是用精铜铸造的。仪体形状就像汉代酒樽。樽上装饰有篆文山龟鸟兽之形，樽的内部立一根铜柱，张衡称之为都柱。都柱周围有八条滑道，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。
结构分析
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  构造北朝时，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。(图右)
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）。
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  候风地动仪复原设计图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。
黄佑军
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”[1]。（图1樽体外形图：1樽底2樽壁6龙首10甬道口9蟾蜍插孔4樽顶盖3樽盖7铜丸8蟾蜍5龙口 。 ）
  
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”。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  地动仪八机关之一上装有铜锤，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。
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  候风地动仪够的重量，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（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。
定量估算
李志超对这一设计的灵敏度做了定量估算。他指出：假定柱与尊的相对平移  候风地动仪量为0.01毫米，用杠杆作200倍放大，得2毫米，这就足以控制机牙了。都柱的运动产生滚动摩擦，摩擦系数量级为0.001，这样，克服摩擦促成相对运动的大地加速度要大于0.001g（g为重力加速度），近似为10毫米/秒^2。以此加速度获得0.01毫米位移需要0.05秒。这些数字都是粗数，仅供半定量估算，其中0.01毫米是机构设计的主导数据，地震学灵敏性标志是10毫米/秒^2，这是三级烈度的弱震数据。加速度延时0.05秒的设想有些保守，此数增加则位移量将以倍数平方增加，足以弥补其他数据之不足，如机牙宽度增大、杠杆放大量减少等。由此，张衡的地动仪对于烈度为三级的弱震，是可以测报出来的。
根据这样的分析，对张衡地动仪关于震源方向的测报就可以加以讨论了。从现代地震学知识来看，地震过程复杂多变，前震后震强弱不同，方向也相异，要寻找震源只可能从多个台站的记录依时间差推算，这在古代是不可能的。但是张衡的地动仪在设计中的确考虑了方向因素，“寻其方面，乃知震之所在”，就反映了这一点。这也并非完全不可能。如果候风地动仪做到了感知微震（1～2级），它应对远处震中传来的初波（P波）敏感。初波的地面移动方向与震源方向一致，是纵向波，所以龙吐丸的方位应能显示一定量的方向信息。当然，这并非绝对，因为为了减少误报，地动仪的灵敏度也会有一定限制，这样，当地震的前锋纵波不够强时，地动仪可能会对之无动于衷，但后继横波却有可能把铜丸震落，这样落丸方向与震源就没什么关系了。
李志超还讨论了地动仪的其他设计方案，经过分析比较，他认为图2所示的都柱推动牙机控制方案，从其内涵与史料呼应来说，较为完备。他据此设计制作了一个缩小简化的双道模型，尺寸为原大的五分之一，只有左右相对两臂的机关系统，前后面为有机玻璃板，便于演示观察。该模型很灵敏，完全证实了他的分析。
科学发明
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。
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（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。