張衡地動儀最新研究成果

【摘 要】文章對張衡地動儀最新研究成果“液力地動儀”進行了解析。

【關鍵詞】張衡；地動儀；液力地動儀

介紹一種“液力地動儀”，它區別于“直立桿”或“懸垂擺”式的地動儀。首先從質疑開始。

質疑之一：天鵝肉真的令蛤蟆激動不已？在地動儀的史料中有這樣一段話：“如有地動，尊則振龍，機發吐丸，而蟾蜍銜之。振聲激揚，伺者因此覺知”。質疑這句話的起因，是源于一個聲學小問題。人們通常見到的大鐘，都是被高高掛起，用硬物敲擊鐘的底部邊緣，聲音便會振蕩開來。試想以蛤蟆那副尊榮，它與銅丸該有怎樣的親密接觸，才能“振聲激揚”呢？顯然古時的“振聲激揚”與現代的聲音沉悶，不可能是同一個概念。

質疑之二：地動儀為何要做得如此龐大？有人認為這是某種政治需求，但最新的考古發現，安裝地動儀的密室寬度僅有2.2米，沒有供人們瞻仰膜拜、舉行圖騰儀式的空間。因此，可以認為地動儀是一種較純的技術設計，按“直立桿”或“懸垂擺”的原理，張衡完全可以把地動儀設計得小些、小些、再小些！可為什么張衡要把地動儀做得如此之大并“形似酒尊”呢？其實這個問題不難解釋：張衡龐大的地動儀，只是為了接收并放大微弱的地震信號，就像現代人把天文望遠鏡越做越大，甚至還要架上航天飛機。

質疑之三：近現代理論是否誤導了地動儀的復原？作為科學儀器，實驗條件相同時，實驗的結果應當是唯一的。大型金屬鍛件或鑄件，為防止變形一般都要經過時效處理，即放置在室外數月甚至幾年。對于‘員徑八尺’的大型地動儀來說，它的變形會很復雜，舉例來說，懸垂擺式的地動儀，其擺下的銅丸在安裝時，它可能處在恰當的位置，數月之后誰都不能保證它還在合適的位置。由于變形、制造或安裝方面的原因，懸垂擺、銅丸以及銅丸支點保持在同一條直線上是困難的，同樣是變形的原因，地動儀可能產生方向異性——即不同方向的靈敏度會有很大的差異。因此，這種結構的地動儀可靠性是極低的，是不能夠作為科學儀器來使用的。從渾天儀到地動儀，張衡是博學的，但同時又是親歷親為的實干家，他的動手能力是許多人欠缺也是無法模仿的。

“液力地動儀”理論基礎：大家先看一個實驗：將一個飲料瓶水平放置，沿瓶口方向前后運動，這時瓶中的液體，將會對瓶底產生沖擊，沖擊力的大小取決于移動的加速度、瓶子的容量以及液體的密度，這可用牛頓的慣性定律來解釋。地震波也是一種能量，可產生改變物體運動狀態的加速度，那么地動儀是如何借力于此呢？我們知道，河床狹窄處的水流流速較快，而在寬闊的地段則流速較慢。也就是說在河流的任一橫截面上，在單位時間內水的流量是相等的，既流體的連續性原理。利用這一原理，就可以將微弱的地震信號加以放大。

“液力地動儀”的工作原理：

當地震波從左至右傳來時，樽體向右運動，樽內液體各處壓力的變化，導致左邊的浮筒下降（與其相鄰的兩個浮筒也略有下降，只是程度稍小些），右邊的浮筒上升（同理與其相鄰的倆個浮筒也略有上升）。8個浮桿運動的結果導致支架向震源方向傾斜，支架頂端的銅丸則順導向盤落下，由于重量減輕，8只浮筒將支架上抬，計時器上方的小孔同時被打開，開始計時。而銅丸在落下的過程中，首先撞擊接收器的外側邊緣并發出巨響，而后反彈之接收器內側邊緣再發巨響，最后落入接收器底部，沿斜面滾到最低處。在最低處，有一略小于銅丸直徑的孔，孔被杠桿的一端擋住，當銅丸壓下杠桿后，杠桿的另一端在龍首內抬起，釋放龍首內的銅丸。銅丸下落經蟾蜍導引撞擊樽體發出巨響，完成“振聲激揚”的全部。

圖是地動儀的結構示意圖：它的主體猶如一只桔子齊腰被剖開，8個相同的容器與都柱整體鑄成，下有底座、外有樽體、上有合蓋。現將其主要部件及功能逐一介紹：1.合蓋：應為大小倆部分，便于內部零件的安裝調試。

2.樽體：面對樽體用木槌上下輕輕叩擊，將會發現若要得到最好的音響效果，樽體與龍首、蟾蜍應分別鑄造然后組裝。

3.浮筒：擬采用上好楠木，再經深度防腐、防變形處理，局部鏤空以期達到均勻一致的浮力。

4.接收器：一個截面呈“U”的環形發聲器，開口向上被分成8個區，每個區的底部均向中間傾斜，最低處各有一個略小于銅丸直徑的孔。

5.支架組件：支架外緣與8個浮筒均靈活、可靠連接。支架的中間是一個直立桿，直立桿的底部有一小小的凸起，在其下方的計時器上有一小孔作為支點。支架可繞支點在水平方向上任意傾斜。在直立桿的上部裝有導向盤，頂端則是用來置放銅丸的。

6.銅丸：銅丸的尺寸應仔細考量，其重量與支架組件的重量之和，應略大于8只浮筒所提供的浮力。

7.導向盤：其實用不著精確導向。銅丸大致向震源方向滾落，經接收器自動矯正于震中方向。

8.計時器：這是一個上下各有一個小孔的中空容器，可以注入液體用來計時。

9.底座：單獨澆鑄當然是為了減輕勞動強度。古人鑄造的“司母戊方鼎”，重量為833千克，有人測算過，需要人工210個，坩堝70個。

10.都柱及旁行八道：最為關鍵的一個部件。

結束語： “液力地動儀”除了計時和指示地震方位的兩項功能外，還可以提取地震強弱的信息。如圖所示當有液體體從容器小端上行時，便會被浮筒上端的凹槽吸納，凹槽中液體的“量”與地震的強弱有正比的關系。因此只需驛者報出震中的地點，就可以根據此“量”大致估算出震級來，相比驛者口口相傳要科學許多。復原張衡地動儀是否成功，有一個重要指標：靈敏度，即“嘗一龍機發而地不覺動”。汞亦稱水銀，密度13.6g/cm^3，唯一的液態金屬。密度是水的13.6倍。假如張衡在解決或未完全解決相應的環保問題后，地動儀采用了銅汞飽和溶液，那么地動儀的復原是變得更為簡單或是更復雜了呢？

【參考文獻】

[1]張衡傳.候風地動儀[A].范曄.后漢書[M].

[2]馮銳.張衡地動儀的教學內容和觀點需要更新[J].中學歷史教學參考，2006（11）.