CN105510960B - 机械式地动仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械式地动仪，包括水平底板和都柱，其特征在于：都柱垂直并固定于水平底板上，都柱四周设有两个以上的验震棒，都柱周围设有多个支撑座，在支撑座上设有与都柱中心的水平放射线相垂直的水平转轴，验震棒的下端与相对应的水平转轴铰接、上方绕转于支撑座上方，验震棒的上部及相邻两个验震棒之间的都柱上均设置有穿绳环Ⅰ，采用同一根绳子依次穿过各个穿绳环Ⅰ后留出长度余量首尾相接结成绳环Ⅰ，各个水平转轴与都柱中心的距离相等且位于同一水平面，验震棒的重心的垂线位于相对应的水平转轴的轴心与都柱之间或验震棒的重心的垂线与水平转轴的轴心重合。其结构简单，符合当时的科技水平，灵敏度高，能够准确的指向地震发生的方向。

Description

机械式地动仪

技术领域

本发明涉及一种机械式地动仪。

背景技术

人类历史上首台检测地震的仪器是公元132年汉代科学家张衡发明，曾称候风地动仪，失传于东汉末年，仅在史书中留下二百多字的记载。其樽体外设八个方位，每个方位上均有口含龙珠的龙头，在每条龙头的下方都有一只蟾蜍与其对应。任何一方如有地震发生，该方向龙口所含铜珠即落入蟾蜍口中，由此便可测出发生地震的方向。现代关于地动仪的复原结构，目前流行的有两个版本，一种是王振铎复原的地动仪，采用在水平面上竖立圆柱状的棍来检测地震的发生，当地震发生时地震波传来，水平面上竖立的圆柱状的棍倾倒，可以检测到地震的发生，但是由于圆柱状的棍在地震发生时倾倒的方向不一定，所以不能检测到哪个方向发生了地震，而且灵敏度不高，与古书中记载的地动仪不符；另一种是冯锐复原的地动仪，其采用把都柱悬挂起来，都柱下面有凹陷含住小球，小球下面中间由细棍托住，但凹陷与小球之间有余量，会降低灵敏度，同时都柱要动比较大的量，细柱顶端边缘到凹陷边缘的距离大于小球直径时才能吐出小球，使灵敏度降低，另外其所需加工、安装精度要求高，并不符合当时的科技水平。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种克服以上缺点的符合史料记载、结构简单、符合当时的科技水平且灵敏度高并能同时准确指出地震发生方向的机械式地动仪。

本发明的技术方案是：

一种机械式地动仪，包括水平底板和都柱，其特征在于：所述都柱垂直并固定于水平底板上，所述都柱四周设有两个以上的验震棒，所述都柱周围设有多个与验震棒相对应的支撑座，在所述支撑座上设有与都柱中心的水平放射线相垂直的水平转轴，所述验震棒的下端与相对应的水平转轴铰接、上方绕转于支撑座上方，所述验震棒的上部及相邻两个验震棒之间的都柱上均设置有穿绳环Ⅰ，采用同一根绳子依次穿过各个穿绳环Ⅰ后留出长度余量首尾相接结成绳环Ⅰ，各个水平转轴与都柱中心的距离相等且位于同一水平面，所述验震棒的重心的垂线位于相对应的水平转轴的轴心与都柱之间或验震棒的重心的垂线与水平转轴的轴心重合，各个验震棒的重心的位置一致。

上述的机械式地动仪，所述验震棒的上部靠于都柱上。

上述的机械式地动仪，所述验震棒的数量为一对以上且每对所述验震棒以都柱为对称中心对称布置，每对所述验震棒的下端的水平转轴相互平行，所述都柱对应每对验震棒上部两侧的位置分别设置穿绳环Ⅱ，采用同一根绳子依次穿过同一对验震棒上部两侧都柱上的各个穿绳环Ⅱ后留出长度余量首尾相接结成绳环Ⅱ，所述验震棒上部位于绳环Ⅱ的外侧且靠于两侧穿绳环Ⅱ之间的绳环Ⅱ的相应位置处，以使验震棒竖立于支撑座上方。

上述的机械式地动仪，所述验震棒的重心到相对应的水平转轴的轴心的距离小于验震棒的重心到验震棒上部与绳环Ⅱ靠接点的距离。

上述的机械式地动仪，所述验震棒由大径圆柱段和位于大径圆柱段顶部边缘的小径圆柱段组成。

上述的机械式地动仪，所述都柱外周设有与验震棒的数量相等且一一对应的执行机构，所述执行机构由支架、设于支架上的杠杆组成，所述杠杆中部与支架铰接，所述水平底板上方设有外壳，所述杠杆一端向验震棒的方向延伸，所述杠杆另一端伸出外壳并弯曲，所述杠杆的弯曲端部与外壳之间夹设有铜球。

本发明的有益效果是：

1、测震灵敏度高，能同时准确指出发生地震的方向，结构简单，构思巧妙，简单易行，操作方便；

2、有利于科学真实的重现张衡地动仪，既能现实应用，又极具研究、教学、展览价值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图(对应实施例1)；

图2是图1中A向视图；

图3是本发明的结构示意图(对应实施例2)；

图4是图3中B向视图。

图中：1.水平底板、2.蟾蜍、3.支架、4.龙首、5.铜球、6.杠杆、7.外壳、8.顶盖、9.验震棒、10.穿绳环Ⅰ、11.绳环Ⅰ、12.水平转轴、13.支撑座、14.都柱、15.穿绳环Ⅱ、16.绳环Ⅱ。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2所示，该机械式地动仪，包括水平底板1和都柱14，所述都柱14垂直并固定于水平底板1上，所述都柱14四周设有两个以上的验震棒9，所述都柱14周围设有多个与验震棒9相对应的支撑座13，在所述支撑座13上设有与都柱14中心的水平放射线相垂直的水平转轴12，所述验震棒9的下端与相对应的水平转轴12铰接、上方绕转于支撑座13上方，所述验震棒9的上部及相邻两个验震棒9之间的都柱14上均设置有穿绳环Ⅰ10，采用同一根绳子依次穿过各个穿绳环Ⅰ10后留出长度余量首尾相接结成绳环Ⅰ11，各个水平转轴12与都柱14中心的距离相等且位于同一水平面，所述验震棒9的重心的垂线位于相对应的水平转轴12的轴心与都柱14之间或验震棒9的重心的垂线与水平转轴12的轴心重合，各个验震棒9的重心的位置一致。所述验震棒9的上部靠于都柱14上。本实施例中，采用8个验震棒9，也可以采用单数的验震棒9。

所述都柱14外周设有与验震棒9的数量相等且一一对应的执行机构，所述执行机构由支架3、设于支架3上的杠杆6组成，所述杠杆6中部与支架3铰接，所述水平底板1上方设有外壳7，所述杠杆6一端向验震棒9的方向延伸，所述杠杆6另一端伸出外壳7并弯曲，所述杠杆6的弯曲端部与外壳7之间夹设有铜球5。具体的是，机械式地动仪的外壳7为安装在水平底板1上的具有圆筒状直壁的外壳，上面盖有穹窿状顶盖8，外壳7的直壁内侧均匀分布八个支架3及杠杆6，八个杠杆6的一端都向内对应着相应的验震棒9，八个杠杆6的另一端通过外壳7上的开口延伸到外面压住在外壳7外面的铜球5使其不掉落，外壳7的直壁外侧均匀分布八个嘴向下张开的龙首4，八个杠杆6延伸到外壳7外面的那一端和其压住的铜球5都分别隐藏在八个龙口之中，在外壳7的外侧底部均匀分布八个张口向上的蟾蜍2，每个蟾蜍2向上张开的大口都正好可以接住由所对应的龙口落下的铜球5。这样指示八个方向的验震棒9对应八个方向的杠杆6，验震棒9倾倒会压到其对应设置的杠杆6的一端，使压住铜球5的杠杆6另一端抬起，铜球5落下，落到下方的蟾蜍2口中，提示人们这个方向发生了地震。

工作原理：在地震发生时,地震波推着都柱14与水平转轴12向远离地震源的方向移动，但验震棒9在惯性的作用下还趋于在原位置，而与地震发生方向最接近垂直的水平转轴12上方的验震棒9在惯性力的作用下向地震发生方向绕轴转动，且阻力最小，重心到了轴心的外侧,重力同惯性力一起使其绕轴转动倾倒并触动对应侧的杠杆6，使该杠杆6另一端压住的铜球5掉落。与此同时，在向地震发生方向绕轴转动的验震棒9的作用下，绳环Ⅰ11被拉紧使其他方向的验震棒9被束缚在都柱14上，以免后续的地震波误触发其他方向的验震棒9使人们辨不清地震发生的方向。

验震棒9触发执行机构(杠杆)的灵敏度分析：

1、验震棒9重心的垂线越接近它们的水平转轴12的轴心灵敏度越高，当验震棒9重心的垂线与它们的水平转轴12的轴心重合时灵敏度最高。各个验震棒9的重心的位置一致。

2、另外验震棒的灵敏度还与地震源的方向与所对都柱周围验震棒的位置有关。当地震发生方向与都柱14中心的连线与其中验震棒9的水平转轴12相互垂直时，地震使地面移动的方向就是这根验震棒9绕轴转动的方向，则该验震棒9最灵敏；当地震发生方向与都柱14中心的连线与验震棒9的水平转轴12相互平行时，地震使地面移动的方向不是验震棒9绕轴转动的方向，由于受到水平转轴12的阻碍，所以这个方向的验震棒9最不灵敏。因此，地震发生方向与验震棒9的水平转轴12越接近垂直，这个方向的验震棒9灵敏度越高，越接近平行，这个方向的验震棒9灵敏度越低。

实施例2

如图3、图4所示，该机械式地动仪，包括水平底板1和都柱14，所述都柱14垂直并固定于水平底板1上，所述都柱14四周设有两个以上的验震棒9，所述都柱14周围设有多个与验震棒9相对应的支撑座13，在所述支撑座13上设有与都柱14中心的水平放射线相垂直的水平转轴12，所述验震棒9的下端与相对应的水平转轴12铰接、上方绕转于支撑座13上方，所述验震棒9的上部及相邻两个验震棒9之间的都柱14上均设置有穿绳环Ⅰ10，采用同一根绳子依次穿过各个穿绳环Ⅰ10后留出长度余量首尾相接结成绳环Ⅰ11，各个水平转轴12与都柱14中心的距离相等且位于同一水平面，所述验震棒9的重心的垂线位于相对应的水平转轴12的轴心与都柱14之间或验震棒9的重心的垂线与水平转轴12的轴心重合，各个验震棒9的重心的位置一致。

本实施例中，所述验震棒9的数量为一对以上(具体是四对)且每对所述验震棒9都以都柱14为对称中心对称布置，每对所述验震棒9的下端的水平转轴12相互平行，所述都柱14对应每对验震棒9上部两侧的位置分别设置穿绳环Ⅱ15，采用同一根绳子依次穿过同一对验震棒上部两侧都柱上的各个穿绳环Ⅱ15后留出长度余量首尾相接结成绳环Ⅱ16，所述验震棒9上部位于绳环Ⅱ16的外侧且靠于两侧穿绳环Ⅱ15之间的绳环Ⅱ16的相应位置处，以使验震棒9竖立于支撑座13上方。所述验震棒9的重心到相对应的水平转轴12的轴心的距离小于验震棒9的重心到验震棒9上部与绳环Ⅱ16靠接点的距离。本实施例中，为保证重心靠近相对应的水平转轴12的轴心，所述验震棒9由大径圆柱段和位于大径圆柱段顶部边缘的小径圆柱段组成。

工作原理：在地震发生时,地震波推着都柱14与水平转轴12向远离地震源的方向移动，但验震棒9在惯性的作用下还趋于在原位置，而与地震发生方向最接近垂直的水平转轴12上方的一对验震棒9在惯性力的作用下向地震发生方向绕轴转动，且阻力最小。这对验震棒9中的一个向内推动绳环Ⅱ16，而另一个验震棒9被绳环Ⅱ16推动向地震发生方向绕轴转动,同时惯性也使这个验震棒9向地震方向绕轴转动使重心到了轴心的外侧，重力同惯性力一起使其绕轴转动倾倒并触动对应侧的杠杆6，使该杠杆6另一端压住的铜球5掉落。与此同时，在向地震发生方向绕轴转动的验震棒9的作用下，绳环Ⅰ11拉紧使其他方向的验震棒9被束缚在都柱14上，以免后续的地震波误触发其他方向的验震棒9使人们辨不清地震发生的方向。

验震棒触发执行机构(杠杆)的灵敏度分析：

1、通过调整绳环Ⅱ16的长度，使验震棒9重心的垂线越接近相对应的水平转轴12的轴心，灵敏度越高，当验震棒9重心的垂线与相对应的水平转轴12的轴心重合时灵敏度最高。所有验震棒9重心位置一样。

2、另外验震棒的灵敏度还与地震源的方向与所对都柱周围验震棒的位置有关。当地震发生方向与都柱14中心的连线与其中一对验震棒9的水平转轴12相互垂直时，地震使地面移动的方向就是这对验震棒9绕轴转动的方向，则这对验震棒9最灵敏；当地震发生方向与都柱14中心的连线与验震棒9的水平转轴12相互平行时，地震使地面移动的方向不是验震棒9绕轴转动的方向，由于受到水平转轴12的阻碍，所以这个方向的验震棒9最不灵敏。因此，地震发生方向与验震棒9的水平转轴12越接近垂直，这个方向的验震棒9灵敏度越高，越接近平行，这个方向的验震棒9灵敏度越低。

3、当地震使地面移动带动与地震发生方向最接近垂直的这对水平转轴12移动时，惯性使验震棒9的重心相对不动，从而起到了杠杆原理中支点的作用，由于重心到水平转轴12的轴心的力臂短，重心到验震棒9上部与绳环Ⅱ16靠接点位置的力臂长，则验震棒9上部与绳环Ⅱ16靠接点位置的移动距离超过地震使水平转轴12的轴心的移动距离，对地面移动的距离起到了放大作用；另外，地震未发生前，一对验震棒9上部向内靠在同一条绳环Ⅱ16上产生的向内凹陷相同，而当地震发生时，推动绳环Ⅱ16的验震棒9上部向内压绳环Ⅱ16移动的距离要小于被绳环Ⅱ16产生的绷紧力推动的验震棒9上部向外移动的距离，这样就对地面移动的距离再次起到放大的作用。上述两次对地面移动距离的放大使这根验震棒9的重心的垂线到达相对应的水平转轴12的轴心外侧，同时在重力和惯性力的共同作用下，使验震棒9更加灵敏的首先倾倒向地震源方向。

其他同实施例1。

Claims (3)

1.一种机械式地动仪，包括水平底板和都柱，其特征在于：所述都柱垂直并固定于水平底板上，所述都柱四周设有两个以上的验震棒，所述都柱周围设有多个与验震棒相对应的支撑座，在所述支撑座上设有与都柱中心的水平放射线相垂直的水平转轴，所述验震棒的下端与相对应的水平转轴铰接、上方绕转于支撑座上方，所述验震棒的上部及相邻两个验震棒之间的都柱上均设置有穿绳环Ⅰ，采用同一根绳子依次穿过各个穿绳环Ⅰ后留出长度余量首尾相接结成绳环Ⅰ，各个水平转轴与都柱中心的距离相等且位于同一水平面，所述验震棒的重心的垂线位于相对应的水平转轴的轴心与都柱之间或验震棒的重心的垂线与水平转轴的轴心重合，各个验震棒的重心的位置一致；

所述验震棒的上部靠于都柱上；

所述验震棒的数量为一对以上且每对所述验震棒都以都柱为对称中心对称布置，每对所述验震棒的下端的水平转轴相互平行，所述都柱对应每对验震棒上部两侧的位置分别设置穿绳环Ⅱ，采用同一根绳子依次穿过同一对验震棒上部两侧都柱上的各个穿绳环Ⅱ后留出长度余量首尾相接结成绳环Ⅱ，所述验震棒上部位于绳环Ⅱ的外侧且靠于两侧穿绳环Ⅱ之间的绳环Ⅱ的相应位置处，以使验震棒竖立于支撑座上方；所述验震棒的重心到相对应的水平转轴的轴心的距离小于验震棒的重心到验震棒上部与绳环Ⅱ靠接点的距离。

2.根据权利要求1所述的机械式地动仪，其特征在于：所述验震棒由大径圆柱段和位于大径圆柱段顶部边缘的小径圆柱段组成。

3.根据权利要求1或2所述的机械式地动仪，其特征在于：所述都柱外周设有与验震棒的数量相等且一一对应的执行机构，所述执行机构由支架、设于支架上的杠杆组成，所述杠杆中部与支架铰接，所述水平底板上方设有外壳，所述杠杆一端向验震棒的方向延伸，所述杠杆另一端伸出外壳并弯曲，所述杠杆的弯曲端部与外壳之间夹设有铜球。