张衡研制的候风地动仪观测到陇西发生地震

张衡的地动仪，一直以来都是一个存在着很大的争议的东西，但其实很多时候的争议，其实是对于教科书上的地动仪的那张照片，原本在书中一直都存在，后来才被删掉。不过张衡的确发明过一种候风地动仪，可以监测地震，只是现如今没有办法完全还原出来而已。而就在历史上，这个候风地动仪曾经检测到陇西发生地震，我们一起来看看吧。

1.候风地动仪简介

候风地动仪是世界上第一架测验地震的仪器。由中国东汉时期的科学家张衡发明于汉顺帝阳嘉元年(公元132年)，《后汉书·张衡传》详细记载了张衡的这一发明。候风地动仪用精铜制作而成，员径八尺，汉八尺约合当今之一米八-九的样子，其外形像一个酒樽。地动仪里面有精巧的结构，主要为中间的都柱和它周围的八套牙机装置。

候风装置候风摆的周围与8组牙机机械装置之一部关相互靠近。此处为底座上的沟槽，叫八道。工作原理是侯风摆运动到关的位置触发牙机。就是记载的“施关发机”施读音易四声。再机发吐丸。在樽的外面相应地设置8个龙首，口含小铜丸，每个龙头下面都有一只蟾蜍张口向上。如果有地震被检测，都柱之内侯风摆则轻微摆动，此即可触发牙机。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。牙机的触发需求小到可以在地震波第一时间运作，称为合契若神。

牙机是由一对杠杆构成。水平杠杆负责龙口开合，直立的负责牙机触发。由于牙机立杆和侯风摆的位置关系，由关连接。关就是牙机立杆的一部分。关注道内水平状，几乎挨到侯风摆之上，距离之近不到一毫米。这是候风地动仪得以成功的关键。此外，张衡还设计了一套机械反馈装置，叫“巧制”。这套设计利用反馈的办法，阻止了候风部件的连续摆动。巧制设计比西方出现机械反馈设计早很多年。

2017年秋天投入使用的统编本初中历史教科书七年级上册中，原本关于张衡和候风地动仪的内容，已被完全删除。

虽然候风地动仪经常被作为我国古代科技的代表作，但遗憾的是，除了《后汉书》中196个字的文字记载外，没有任何旁证。现在大家广为流传的模型也是上世纪50年代由于展览的需要，考古学家王振铎根据文字加上自己的想象做出来的。随后，复制和证伪一直是人们热衷讨论的课题，其中比较有名的有冯锐、傅承义、李约瑟、黄佑军、宋力斌和方舟子等。

2.陇西地震

东汉时期，地震比较频繁，从公元96-125年的30年中，就曾发生了23次比较强烈的地震，震区有时大到几十个郡。 138年3月1日(汉永和三年二月初三日)突然地动仪朝向西北方向的钢球落了下来，掉进仪器下面的蟾蜍口里。可是，洛阳居民谁也没有感觉到地震。几天后，陇西(今甘肃)驿者日夜奔驰来京师，报告陇西地震，二郡山崩(震级约为6.5级)。陇西正好在洛阳的西北方向。 此事消除了人们的怀疑，并称他的候风地动仪“验之以事，合契若神”。

陇西地震这次地震是由个别专家演绎出来的，发震日定为阳嘉三年十一月十一日(134年12月13日)，地点定在陇西汉阳(今甘肃天水)，震级7级。陇西地震是张衡地动仪的惟一测震实例，亦是检验地动仪复原模型是否合理的一个关键性判据。但长期以来，一直被误作公元138年2月28日的金城-陇西地震，因与史料矛盾而被国内外的研究所否定。

3.候风地动仪的相关拓展阅读

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。

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。