CN111538074A - 一种地动仪装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复原张衡地动仪的方案。本发明根据中国古代文献记载中的线索，对张衡地动仪的内部结构进行分析、研究，提出了新的“柱—础结构复原方案”，完全满足“严格遵循科学原理、严密符合中国古代文献记载”的硬性要求，充分呈现了张衡地动仪的内部结构，解决复原张衡地动仪的历史难题。

Description

一种地动仪装置

技术领域

本发明涉及一种地动仪，尤其是涉及张衡地动仪的复原方案。

背景技术

张衡地动仪是世界上第一个地震探测器，但由于地动仪原物与制作方法均已失传，这一伟大的科技杰作已经成为神秘而永恒的传奇。一千多年以来，古今中外的众多学者们纷纷对地动仪进行研究，试图复原地动仪，分别提出各式各样的复原方案或模型，对现代地震学、考古学、地球物理学、仪器科学以及科学史研究等，产生了重要影响。然而，这些方案或模型的一些关键结构都不能严密符合中国古代文献的记载，许多疑难之处没有得到有效的解决或充分的解释，并存在各种问题或缺陷，引起众多质疑或反对，分歧严重。

王振铎先生提出的“直立杆”复原方案，已经被彻底否定。

目前，已有学者提出“悬垂摆”复原方案，但该方案也受到广泛的质疑与反对。

迄今为止，学术界尚未广泛认可任何复原张衡地动仪的解决方案或模型。

发明内容

本发明的目的是：提供一种复原张衡地动仪的方案，实现对张衡地动仪的复原。

本发明所要解决的实际问题是：确立张衡地动仪的内部结构。

本发明的技术方案是：

一种地动仪装置(以下简称“该装置”)，由外壳、都柱、础座、道、關、机、龙首模型、铜丸、蟾蜍模型组成。

所述外壳分配并固定八个方位，内部安放所述都柱、道、關、机以及用于支撑都柱的础座。

所述都柱是柱状体，其下端呈半球形；都柱的上端无支撑、不固定，都柱的下端受所述础座支撑，接触部位不固定，可活动。

所述础座是都柱的承载构件，其上端呈倒锥形凹陷。

所述道是八条径向通道，每条通道分为都柱运行段、關运行段，并有重合部分；都柱运行段交汇于外壳内部中心，呈“米”字形中心对称且均匀分布。

所述關是杆状构件，形如门闩，安装在道的槽沟内，可作径向运动。

所述机是可以围绕转轴作有限角度偏转的构件，夹持着所述铜丸，并具有配重部分。

所述龙首模型用于容纳、安装并隐藏机。所述铜丸被机夹持在龙首模型内，被释放时作自由落体运动，撞击所述蟾蜍模型，使所述蟾蜍模型发出较大响声。

所述蟾蜍模型与龙首模型分别对应，各个蟾蜍模型放置在各个龙首模型的正下方。

所述都柱、础座、道、關、机均安装在该装置的内部，所述龙首模型、蟾蜍模型在该装置的外部。

以下是本发明的详细说明。

1古代文献

本发明的依据是中国古代文献。已知详细记载张衡地动仪的中国古代文献有：

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【西晋】司马彪(？-306年)《续汉书》：“张衡性精微，有巧艺。作地动仪，以精铜铸其器，圆径八尺，形似倾樽，其盖穹隆，饰以篆文，外有八龙首衔铜丸，下有蟾蜍承之。其牙发机，皆隐在樽中，周密无际，如一体焉。地动机发，龙即吐丸，蟾蜍张口受丸，声乃振扬，司者觉知。即省龙机，其馀七首不发，则知地震所从起来也。合契若神，观之莫不服其奇丽，自古所来，未尝有也。”(周天游所著《八家后汉书辑注》第443页，1986年版)

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【东晋】袁宏(328年-376年)《后汉纪·顺帝纪》：“衡作地动仪，以铜为器，圆径八尺，形似酒樽，合盖充隆，饰以山、龟、鸟、兽。樽中有都柱，傍行八道，施關发机；外有八方兆龙首衔铜丸，蟾蜍承之。其牙机巧制，皆隐樽中。张讫，覆之以盖，周密无际，若一体焉。地动摇樽，所从来龙机发则吐丸，蟾蜍张口受之，(丸)声震扬，(伺)者觉知，即省龙机，其余七首不发，则知地震所起从来也，合契若神。自此以后，地动史官注记，记所从方起来。观之者莫不服其奇。”(中华书局2002年版《后汉纪》，第371-372页)

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【南朝】范晔(398年-445年)《后汉书·张衡传》：“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，傍行八道，施關发机；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，伺者因此觉知。虽一龙发机而七首不动，寻其方面，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。”(参见冯锐先生、武玉霞女士于2003年 12月发表在《中国地震》第19卷第4期第358-376页的论文《张衡候风地动仪的原理复原研究》中的影印图)

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说明：

由于本发明的依据来源于古代中国文献，因此必须引用文献中的文言文原始内容。

1)原始内容无标点符号，根据本发明对原始内容的理解而增加了标点符号。

2)文献中的“關”字，现代简化为“关”字。本发明认为，应仍维持“關”字。

3)文献中的其它繁体字，无特殊价值的，为便于阅读、理解，已替换成简体字。

4)能够证明张衡地震仪存在的证据并非孤证(至少有三部古代文献详细记载)。

2地动仪的实际用途

正确理解、分析、判断地动仪在东汉时期的实际用途，是复原地动仪的基础与前提，将决定复原的方向与结果。

有观点认为，地动仪的用途是监测地动仪所在地区或附近地区发生的地震。本发明对此观点持反对意见，理由：地动仪并不具备预测(或预报)地震的功能，也不具备检测震级、震源深度等功能，因此，用地动仪监测本地区以及附近地区，毫无意义、并无必要。并且，已知的中国古代文献中，只有地动仪测出远距离地区地震的记载，而未有关于地动仪测出所在地区或附近地区地震的记载。

换个角度说明：由于地动仪不具备前面提到的功能，如果本地区或附近地区发生地震，人们可以立即确认地震的发生，为什么还需要地动仪呢？如果发生大地震，在紧急逃生的关键时刻，在巨大的恐慌和混乱中，还有谁顾得上关心地动仪的状态？那么，用地动仪监测本地或周边地区的意义与价值何在？

本发明认为，真正的地动仪实际用途是：当距地动仪驻地较远(参考距离300～600公里) 的某地区发生较大震级地震(参考震级6～7级)时，地动仪立即响应并报告发生地震的方向。

理由：在地动仪问世之前，距离京师(古代首都)较远的某一地区发生较大震级的地震时，京师的人们不一定有震感。若有震感，则他们立即认为京师发生了地震(因古代无“震中、震级、震源、烈度”等概念)；若无震感，因距离太遥远，则不可能立即得知某地区发生地震，往往是几天之后，只能通过快马带来消息才可得知。古代交通、通讯方法极其落后，驿马送信已是最快、最优。张衡发明地动仪，从根本上直接改变了这一状况：地动仪安置在京师，距离京师较远的某一地区发生较大震级地震，即使京师毫无震感，地动仪也能够立即响应并实时示震。在最短的时间内，负责监测的人员就可以立即得知发生地震的方向(以推测大概区域)。

引证：中国古代文献《后汉书·张衡传》记载：“尝一龙机发而地不觉动，京师(今河南洛阳)学者咸怪其无征，后数日驿至，果地震陇西(今甘肃天水一带)，于是皆服其妙”。天水距洛阳约600公里。这表明，地动仪确实被用于监测距离地动仪较远的地方发生的地震。

3地动仪最重要的结构

众所周知，“都柱”是地动仪中最重要的构件，也是关键构件之一，但多部古代文献均未详细描述或解释其形状、形态与结构，因而众多学者见解纷纷，主要包括两种推测：“悬垂摆”与“直立杆”(或“直立竿”，这种推测已被彻底否定)。

本发明认为，这些学者的观点，实质上区分为“悬式结构”或“立式结构”，而“直立杆”方案仅属于“立式结构”的其中一种。虽然“直立杆”方案已经被彻底否定，但并不代表其他的“立式结构”也是错误的。事实上，还有另外一种“立式结构”是完美的。

本发明提出新的复原方案，严格遵循“与古文献记载完全一致”并且“严格遵循科学原理”的强制性要求，命名为“柱-础方案”，亦属于“立式结构”，与众多“直立杆”方案相比，存在一些显著的差异，具体如下：

在“柱-础方案”中──

1)“都柱”是一根实心圆柱体，并且较大，绝对不是“细杆(或竿)”。

2)“都柱”的下端呈半球形，而不是一个横断平面。这是一个非常特殊并且极其重要的关键之处。所有的其他“直立杆”方案都没有这种设计。半球形并不需要特别精确或完美，原因之一是容易实现(另一原因将在下文叙及)，例如使用简易工具通过手工研磨可以满足，即必须符合汉代当时的生产、制造与加工的技术水平。这也是极其重要和关键的。

3)“都柱”所附带的特殊支撑构件称为“础座”(亦称“基礎”)，它的上端是一个倒锥形的凹陷，而不是普通的平面。这也是一个非常特殊并且极其重要的关键构件。所有的其他“直立杆”方案都没有这个构件。

“柱-础方案”受到中国建筑传统的启发：“立柱结构”通常隐含附属支撑构件“础座”。这是一个非常容易被忽略但极其重要的关键之处。

都柱下端呈半球形的优点：显著降低摩擦力，并避免其它缺点。若都柱下端为横断平面，且支撑面为一般平面，则都柱在即将倾倒时，都柱下端的边沿与樽底形成看似微小但实际并不小的阻力，可能使得都柱发生“回复”(即重新稳定竖立)，更可能使都柱的下端出现侧向滚动，从而使都柱在倾倒过程中出现偏转或扭转，最终完全改变都柱倾倒的方向。日本东京大学地震研究所在早期的研究中，出现了都柱倾倒方向与发震方位不一致的现象。本发明谨慎地推测原因，可能是因为当时东京大学所采用的都柱下端的形状为横断平面，与本发明提出的“柱-础方案”不同，并且没有采用特殊构形的础座(这是非常重要的构件)。简言之，形状不正确且结构不完整导致最终结果不正确。但是，必须指出的是：东京大学的研究，已经证实“立柱式结构能够感震”这一推理是正确的。

上述冯锐先生、武玉霞女士的论文《张衡候风地动仪的原理复原研究》中指出：“下端平面与杆轴的严格垂直是精加工遇到的第一个问题，即使对王振铎先生的直立杆而言，底边的加工偏差不能超过0.1mm，古代技术是达不到的……”。众多国外学者以及冯锐先生对“直立杆”原理的否定，实际上是完成了“都柱下端不可能为横断平面”的推理。对于他们的论证过程及结论，本发明完全赞同。但是，都柱的下端除了“横断平面”、“平头锥形”之外，还有其它的形式。当然，“半球形”是唯一正确的。

使用古代的技术，要实现将都柱的下端精密加工成严格垂直于都柱轴线的平面，确实是极其困难的。这一点，毫无疑问。

相比之下，在半球形不需要特别精确或完美的前提下，将都柱的下端制作或加工成半球形要容易得多。

既然为此，为何不选择容易的方法呢？为何不将都柱的下端制作或加工成半球形呢？至于都柱的稳定竖立，则可以增加特殊构形的础座来实现并保证。这种结构与中国建筑传统中的立柱结构不是很相似吗？天才科学家张衡由于长期受到中国建筑传统的熏陶而受到启发。然而，众多研究地动仪复原的人似乎并不太在意这种古老的建筑传统以及它的内涵。

由于都柱的下端为半球形，且都柱的上端是自由的(即无支撑、无扶持、不固定)，因此绝对有必要将础座的上端制成倒锥形凹陷，这是都柱能够稳定竖立的前提和保证。基于此，当且仅当都柱的轴线与重力线完全重合时(即都柱朝向地心并垂直于绝对水平面)，都柱才能稳定竖立，而无论础座是否处于水平状态。这是非常重要的。这意味着允许地动仪的底部轻微的不水平(由于生产、制造和加工技术或工作环境的原因)。

也就是说，这种结构的地动仪可以在近似水平的状态下正常工作(不一定要放置在绝对水平面上。当然，如果它能长期放置在绝对水平面上，则最好，但事实上很难实现，尤其是在1800多年以前)。必须强调的是，都柱必须严格垂直于绝对水平面。实事求是地说，当地动仪处于“睡眠状态(实际上是处于监测地震的工作状态)”时，处于稳定直立并且静止状态的都柱垂是直于绝对水平面的，而不一定是垂直于地动仪的础座或底部(可能是，也可能不是)。

对于是否处于绝对水平状态，其他类型的地动仪的要求通常很高。相比之下，张衡地动仪是如此优异。

础座上端的倒锥形凹陷的形状、张角角度，对都柱的感震灵敏度与竖立的稳定性，具有决定性的影响。由于采用了础座，都柱的灵敏度与稳定性，不再取决于“长度：直径”的比值，而是与“长度：支撑面直径”的比值相关(但仍受都柱直径大小的影响)。可以理解，由于都柱的下端为半球形，支撑面的直径大小，取决于倒锥形凹陷的张角大小。张角越小，支撑面的直径越大、灵敏度越低；张角越大，支撑面的直径越小、灵敏度越高。目前为止，尚未找到计算张角度数的公式，但是，可以通过多次实验获得最优的张角度数。

由于倒锥形凹陷在某些程度上降低了都柱的重心，这样的础座有利于提高都柱竖立的稳定性。

础座还有重要的定位作用：每次都柱复位时，础座使都柱的下端自动地归位于地动仪的内部的底部中心而无需经过测量和校正。

在制造材料已经选择为青铜的前提下，由于地动仪内部空间的高度有限，都柱的直径决定了都柱的重量。适当的重量，有利于都柱感震的灵敏度与都柱竖立的稳定性：

1)灵敏度受惯性与稳定性的影响，而惯性取决于重量；

2)都柱越重，竖立的稳定性也越高，也更有利于消除非地震因素的干扰，例如打雷、暴风雨、气候变化、热胀冷缩等。

然而，过高的稳定性必然破坏灵敏度；而如果都柱太轻，则都柱在倾倒时没有足够的力量推动其他构件。因此，都柱的重量必须适当，既不能太重，也不应太轻。那么，“一根细杆”显然无法满足这样的要求。因此，都柱只能是一根相对较大的实心圆柱体。

将都柱的下端制成半球形，并使都柱的重量适当，采用上端呈倒锥形凹陷的础座，可以同时极大地提高都柱的灵敏度与稳定性。

以上可见，“柱-础方案”显著区别于“直立杆方案”。因此，众多国外学者以及冯锐先生的批评，适用于否定其他“直立杆”方案，并不适用于否定“柱-础方案”。

此外，还有学者提出，都柱的构形可能是“上大下小”的柱体(或者上小下大)。本发明反对这些观点。理由：

1)生产、制造与加工的技术难度远远大于从上到下直径相等的实心圆柱体。

2)容易出现“偏心”，这对都柱的倾倒方向的正确性产生不必要的危害。

3)并不会带来额外的好处，在牛顿力学上亦无必要。

4地动仪的其他关键结构

除了都柱之外，地动仪还有其它的关键构件记载在中国古代文献中。

例如：道、關与机等。

本发明认为，道应被解释为提供给關与都柱上端运行的通道。总共有八条通道，每条通道由都柱运行段与關运行段组成。通道的都柱运行段被镂空，该段的一端汇集于地动仪的中心。道的用途是提供都柱和關之间的连接路径。

都柱的倾倒，实际上受到了道的限制与轻微调整。这是因为，地震可能发生在任何一个方向，而地动仪的报告方位仅有八个。这是前文提到的半球形不需要特别精确或完美的另一个原因。本发明认为，如果张衡愿意，报告的方位可以设计得更多，例如十二个甚至十六个，这并非不可能实现(技术上已经没有障碍)，但不符合古代人朴素的方位观念，也不利于语言上的简洁表达，因而毫无必要。

關应解释为形如门闩的杆状构件，亦源于中国建筑传统。關一共有八件，彼此相互独立，都安装在道上：關的一端朝向都柱，另一端朝向机。当都柱倾倒时，都柱推动其中一个關，继而这个關再推动机。關的用途是传递动量。

机应解释为可以围绕转轴作有限角度偏转的构件，它的数量一共有八件，彼此相互独立。它的用途是长时间相对稳固地将铜球持含在龙嘴里，只有当地动仪感测到在远离地动仪的地区发生地震时，机才会被關推动而释放铜丸报告地震。机包括配重部分，它利用了杠杆原理，实现长时间相对稳固地夹持铜球。

在上述三部中国古代文献中，均未对都柱、道、關等构件进行解释、描述，是因为在古代中国的建筑传统、文化中，这些都属于众所周知的普通事物，已经非常形象、具体，史学家和文学家确实没有必要解释或详细描述。然而，在漫长而悠远的历史洪流里，汉字和汉语经过无尽岁月的流传、演变，已经由古老的繁体字发展为今天的简体字，一些原本的含义、内涵，不知不觉地逐渐淡化、褪色、流失，甚至发生了巨大的转变，以至于今天的人们百思不得其解，感到迷茫、困惑与困扰，广泛、深刻而久远。

本发明的有益效果是：

1)解决复原张衡地动仪的历史性重大难题。

2)可以实现复原张衡地动仪。

3)本发明易于实施、验证，各个构件的生产、制造难度小，加工精度要求低，部件尺寸误差允许范围大，符合一千八百多年前的生产、制造、加工技术水平。

附图说明

图1是本发明的结构示意图：机(6)伸入装置内部的部分为配重部分。

图2是本发明的结构中道俯视示意图：中心的“米”字形为通道的都柱运行段，是都柱的运行区域；为便于区别、对照，本图中仅有3个通道画出關以及机的受推部位，另外5个通道中的网格区域是關运行段，即關的运行区域。

图3是本发明的示震状态。

图中标记：

(1)外壳 (2)都柱 (3)础座

(4)道 (5)關 (6)机

(7)固定轴 (8)铜丸 (9)龙首模型

(10)蟾蜍模型 (11)顶盖

具体实施方式

参照图1所示，复原的张衡地动仪装置中，道安装在装置的内部较高处；都柱穿过道的都柱运行段交汇中心，垂直竖立于外壳内部底部中心的础座上；每条道的關运行段安装關；關可沿着槽沟作径向运动，一端穿过外壳壁上的开口，与机的受推部位无压力连接，另一端正对着都柱，端头悬空，悬空段长度取决于關未悬空段长度以及机的受推部位活动范围；龙首模型内部中空，可容纳、安装并隐藏机；机用固定轴安装在龙首模型内，灵活持含、释放铜丸所需的活动范围，决定机的受推部位活动范围与绕固定轴偏转幅度；铜丸被机夹持在龙首模型内；各个龙首正下方放置蟾蜍模型；外壳最上方覆顶盖。

应采用青铜材质制作复原的张衡地动仪装置；装置的尺寸：应为直径60cm左右，即图示中两龙首之间的距离约为60cm为宜；装置的整体高度，可按“直径：高度”≈0.618的比例取值。

显然，以上的描述和附图是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，仅用于说明技术方案，并不是对本发明的限制；可以理解，在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均被包含在本发明的保护范围之内；凡在本发明的思想和原则之内，所做的任何修改、增加、去除、变形和替换等，均被包含在本发明的保护范围之内；在不脱离本发明的精神和范围的前提下，本发明可能还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种地动仪装置，其特征在于：包括外壳、都柱、础座、道、關、机、龙首模型、铜丸、蟾蜍模型组成；所述础座在装置内部的底部中心。

2.根据权利要求1所述的一种地动仪装置，其特征在于：所述都柱的下端呈半球形。

3.根据权利要求1所述的一种地动仪装置，其特征在于：所述础座支撑所述都柱，所述础座的上端呈倒锥形凹陷。

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