候風地動儀

在中國科學史上，沒有什麼比候風地動儀更為引人注目。它的發明者是 東漢時期偉大的科學家張衡。《後漢書·張衡傳》詳細記載了張衡的這一發明：“陽嘉元年，復造候風地動儀，以精銅鑄成。員徑八尺，合蓋隆起，形似酒尊，飾以篆文山龜鳥獸之形。中有都柱，旁行八道，施關發機。外有八龍，首銜銅丸，下有蟾蜍，張口承之。其牙機巧制，皆隱在尊中，覆蓋周密無際。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。雖一龍發機，而七首不動，尋其方向，乃知震之所在。驗之以事，合契若神。自書典所記，未之有也。嘗一龍機發，而地不覺動，京師學者咸怪其無征，后數日驛至，果地震隴西，於是皆服其妙。自此以後，乃令史官記地動所從方起。”顯然，所謂候風地動儀，是用來測報地震的儀器。圍繞這一名稱，學界曾有不同意見。一種認為候風地動儀包括了候風儀和地動儀兩種儀器，“候風儀”是用於測風的，“地動儀”才是用於測地震的。另一種觀點則認為，所謂“候風”，即是“候氣”，古人認為地震是由於地“氣”變動所引起的，所以叫“候風地動儀”。從引文來看，“候風地動儀”應為一件儀器，而不是兩件。這裡我們把它作為一件儀器進行介紹。根據引文，“候風地動儀”製成於東漢陽嘉元年（132年），是用精銅鑄造的。儀體形狀就像漢代酒樽。樽上裝飾有篆文山龜鳥獸之形，樽的內部立一根銅柱，張衡稱之為都柱。都柱周圍有八條滑道，稱為“八道”。儀體的外部裝有八條龍，分佈在八個方位，龍口各含銅丸一個，龍頭下方各放置一個張口向上的銅蛙（蟾蜍）。儀體內部裝有機關，與體外龍頭相連，一旦發生地震，機關被觸發，龍口打開，銅丸落入銅蛙口中，發出聲音，使掌管人知曉，並能判明地震來源的方向。顯然，地動儀是利用“地震產生推（拉）力使地面物體發生位移”的特性製成的儀器。張衡通過自己巧妙的設計，使地震時儀體與都柱之間產生相對運動，利用這一運動觸發儀內機關，從而將地震報出。張衡地動儀的靈敏度很高，《張衡傳》列舉了一個具體例子：曾有一次，地動儀朝向西邊的那條龍突然吐丸，但當時洛陽城裡並無震感，人們議論紛紛，都說地動儀不可靠。過了幾日，送信人來到洛陽，報告說甘肅發生了大地震，大家這才信服了地動儀的精妙。

早在南北朝時，北齊信都芳撰《器准》，隋初臨孝恭作《地動銅儀經》，都對之有所記述，並傳有它的圖式和製作方法。可惜的是唐代以後，二書均失傳。今人的研究則以王振鐸之說影響最大。王振鐸根據前人的猜測，討論了地動儀內部可能有的各種結構，最後推斷都柱的工作原理與近代地震儀中倒立式震擺相仿。具體說來，都柱就是倒立於儀體中央的一根銅柱，八道圍繞都柱架設。都柱豎直站立，重心高，一有地動，就失去平衡，倒入八道中的一道。八道中裝有槓桿，叫做牙機。槓桿穿過儀體，連接龍頭上頜。都柱傾入道中以後，推動槓桿，使龍頭上頜抬起，將銅丸吐出，起到報警作用。(圖右)

推斷：中國歷史博物館陳列的張衡地震儀模型，就是根據王振鐸的設計復原的。但是，也有學者提出不同意見。中國科學技術大學李志超就曾對倒立擺結構提出過異議，他以全新的視角，提出了自己對候風地動儀的理解（參見李志超，《天人古義》，河南教育出版社，1995年版）。中國湖南省南縣職業中專學校教師黃佑軍在教研教改中進行了“教學中的科研”嘗試，對慣性擺結構提出不同意見，他依據古代地聽技術，提出了自己對張衡地動儀的詮釋。

李志超認為，從文獻角度來看，漢代字書《釋名》解釋“柱”，說“柱，住也”，表 明柱字原義是建築中不動的支撐件。由此，倒立擺結構不得稱“柱”，只合稱錐。“都”是集總之義，說明不是孤柱，應該還附帶八套機關，而立錐卻只能是光桿。這樣，僅由“都柱”這一名稱來看，倒立擺之說也不能成立。

李志超進一步指出，倒立錐的設計使原文所述其他一切部件皆成畫蛇添足。尤其是龐大的銅尊，毫無道理可言。再者，從物理評價角度來看，任何測量儀器的性能一般都可用兩個互相矛盾的指標表徵：靈敏度和穩定度。倒立錐的設計正好突出了精密計量技術這一主要矛盾。

例如，為提高地動儀的靈敏度，就要把倒立錐的錐底做得很小，使之形成一個錐尖，但很小的錐尖承受巨大的重力壓強，在不可避免的微小震動作用中必將逐漸形成不可逆的變形，其趨向是錐尖下面的支承面形成坑窩，錐尖變得圓滑。這一過程不可逆，而且是加速的。這樣，倒立錐最終要倒下來，不管有無地震。如果為提高穩定度，將錐尖做成寬到實際不變形，那它的靈敏度必然很低，感知量比人所能察覺的還要大，地動儀也就失去了它的實用價值。

2011年4月份，湖南省益陽市南縣職業中專語文教師黃佑軍完成了張衡候風地動儀的復原研究工作。他提出了專利申請：“帶八條甬道固定都柱和推力板機關的張衡候風地動儀”。（圖1樽體外形圖：1樽底2樽壁6龍首10甬道口9蟾蜍插孔4樽頂蓋3樽蓋7銅丸8蟾蜍5龍口。）

候風地動儀的基本構造由如下幾部分組成：1、地動儀的外殼——樽體外形。2、八條甬道——由隔板和都柱分隔而成的空間，是安設機關的地方。3、中心固定都柱——對內部構件進行連接和起固定作用的中心柱。4、感震機關裝置——推力板機關，類似於秦漢時期的陵墓防盜機關，也類似於捕鼠籠的“踏板機關”。5、報震裝置——報震和顯示地震方向的構件。地動儀的外殼：樽體外形，有底，頂口有錐形蓋子。在樽體的上部位置有八個開口，為龍口；下部相應位置也有八個開口，為安放蟾蜍的插孔，又是安裝和調試的入口。八條甬道：由八塊隔板、都柱、樽壁、樽底圍成的八個區域，對應八個方位，在樽底靠近樽壁的位置開有八個開口，為甬道口。甬道口與龍口、蟾蜍插孔在同一垂直線位置。甬道口是地震波的進入通道，其開口向下，能提高抗干擾能力。中心固定都柱：都柱豎立在樽底中央，與樽底固定連接。都柱可以立於樽底上，也可以穿透樽底。都柱與隔板固定連接，是構成甬道的構件之一。都柱的上部通過八根橫樑與龍口固定連接，使樽體內部牢固、穩定。又是承受都柱錘的地方。感震機關裝置：為推力板機關，由推力板、放大槓桿、頂桿、月牙盤、關閂、牙機、牙機桿、都柱錘、龍機桿等構件組成。在兩隔板之間安一根橫桿，推力板鉸接在橫桿上。推力板上固接一根傳動桿，傳動桿銷接在一級放大槓桿上，一級放大槓桿一端銷接在樽壁上或隔板上，另一端與頂桿一端銷接，頂桿銷接在關閂架上，頂桿另一端抵近牙機桿上的月牙盤。關閂為“且”字形結構，牙機為牙機桿上鉤狀體，牙機桿通過牙機鉤住關閂桿。牙機桿頂端與都柱錘柄尾部銷接，都柱錘柄中部適當位置銷接在橫樑上，錘能落在都柱上。錘柄的尾部又與龍機桿一端銷接，龍機桿銷接在橫樑上，龍機桿另一端銷接一根頂桿，頂桿抵住龍口的球丸。推力板機關，類似於秦漢時期的陵墓防盜機關，也類似於捕鼠籠的“踏板機關”。踏板和推力板是同一構件，將推力板埋於甬道的泥土裡，地震波產生的衝力從甬道口進來頂動推力板、觸發機關。在推力板機關上裝有銅錘，叫都柱錘，機關觸發后錘落於都柱上，它相當於捕鼠籠的“閘門”。都柱錘在落下的同時錘柄推動龍機桿擊落龍口裡的銅丸，掉入蟾蜍嘴裡，報震。報震裝置：由八隻龍首、八隻球丸、八隻蟾蜍構成。解決“雖一龍發機，而七首不動”這一技術特點“雖一龍發機，而七首不動”是地動儀顯示“其牙機巧制”的關鍵技術。將都柱錘的直徑做得大於都柱的半徑，且都柱上只能正常落下一隻都柱錘；只有當錘正常落在都柱上，都柱錘才能推動龍機桿擊落龍口的銅丸。即使八道機關全部觸發，也只有一隻龍口的銅丸被擊落，破解這“雖一龍發機，而七首不動”的技術。測震、驗震地震發生時，假設是在東邊，則東邊的甬道口能進入地震波，而西邊的甬道由於隔板和都柱阻隔沒有地震波進入；東邊甬道里的推力板受到第一道地震波的衝擊，發生向上翻動，通過放大槓桿推動頂桿將牙機桿頂離關閂，從而觸發機關，落下都柱錘，帶動龍機桿將龍口球丸擊落、落入下面蟾蜍口中，進行準確報震。當第二道地震波即橫波來時，由於沒有方向性，其它七道機關全被觸發，但七枚都柱錘每一隻都不能正常落在都柱上，不能擊落球丸。從而，符合文獻資料“雖一龍發機，而七首不動”的記載。不管是哪一方向發生了地震，地動儀都能測出震源方向來。地動儀埋入地下，能直接受到地震波的衝擊，正如戰國時就有的“地聽”技術，既減少了地面干擾，又增加了敏感度。地坑鋪上沙子細土築緊，能放大地震波振幅三到四倍；推力板和一級放大槓桿通過調整能將地震波振幅放大約100倍。候風地動儀的靈敏度很高，一級地震的震幅是1--4MM，而牙機與關閂的接觸面的橫向距離約4MM，只要放大震幅8--10倍就可以觸發機關報震。甬道的推力板機關類似於秦漢時期陵墓防盜機關，也類似於捕鼠籠的“踏板機關”。踏板和推力板是同一構件。推力板埋於甬道的泥土裡，地震波從甬道口進來頂動推力板觸發機關。機關的都柱錘，相當於捕鼠籠的“閘門”，機關觸發后錘落於都柱上，同時錘柄推動龍機桿擊落龍口的銅丸掉入蟾蜍嘴裡，報震顯示地震方向。全方位測震地動儀能準確測出八個方位發生的地震，也能測出震中位置的地震來。當地動儀處在震源的震中位置時發生地震，八條甬道都有地震波進入，八道機關全部被觸發，只有最先落在都柱上的那一隻銅錘能推動龍機桿擊落銅丸報震。克服了“倒立擺”和“懸垂擺”在震源位置不能測地震的缺點。當地震發生在地動儀相鄰方位的交界線上、或附近位置，這兩道機關都會被觸發，只有最先被觸發的機關能落下銅丸。

本技術方案測震構想：1、分散定向測震，集中統一報震。八條甬道里的八套機關分別對應八個方向，八甬道隔板與都柱組合將測震系統分開成八個獨立方向區域，八套機關八個錘共用一根都柱，如同古代八人共用碓臼的方法可以實現“一龍發機七首不動”的綜合效果。離震源近的機關先觸發落錘報告地震信息和顯示震源方向。2、八個機關推力板與地動儀進行柔性連接或鉸接連接，消除推力板與地動儀的鋼性連接，八個獨立的機關相當於八個獨立的感震器，如同昆蟲的八觸腳、、能靈敏地接收八方面的動靜信號；地動儀從硬性的石頭上移下來、安放在泥土泥沙介質的地，消除地動儀與石塊的鋼性接觸。克服硬質石板不能分別顯示地動震源的缺陷。3、將中有都柱做大做長深深埋入地下，將八個機關推力板分別與泥土用水澆濕干后粘成一體，用八塊隔板將都柱周圍泥土區域隔成八個區域、實現“中有都柱傍行八道”；都柱深入地下和八塊隔板的配合使用，能有效阻擋一定範圍內的地震波對其它感震器的干擾。比如，東邊有地震，只有最東面的構件被震動最大些、西面的構件受震動很小甚至沒震動，這樣東西方就有個震動差值。（當然不管哪方面有地震也能測知），只要把機關觸發值設置成這個差值範圍內就行。4、實驗：將上述改進后地動儀安裝好后，用電子震蕩棒在任意方向啟動，朝向震蕩棒方向的機關先觸發吐丸，正確測出震動源方向。

候風儀相傳由漢朝科學家張衡發明。

候風儀：一種根據風向、風力與天時結合預測天氣的儀器。

由內外兩個鍾和一個托盤，一跟筷子組成。

如右圖所示，最底下的托盤是正方形的，邊長約40CM，上面畫有完整的包含八卦、干支、七曜的太極圖。托盤的中間插著一根筷子，然後外面扣上第一個鍾，這個鐘在八個方位有八個小口，能使風通過。再在外面扣上第二個鍾，這個鐘沒有小口，但頂上有一個小鳥，作為提手。

使用方法：把兩個鍾都拿下來，只留下地盤和中間的筷子，在筷子的最頂端堆滿香灰，將地盤上掉落的香灰小心擦凈，再依次將兩個鍾扣上。把候風儀端到開闊地帶，然後把最外面的鐘拿掉。平靜放置一段時間，再把外面的鐘扣上。把整個候風儀端到室內平靜放置，將兩個鍾依次拿掉。有專門官員觀察香灰掉落的方位與形狀，並定義出風的方向與級別。然後結合七曜，準確預測出五天以內的天氣情況。

地動儀可能也是根據此候風儀的原理，來檢測地震波。但是地動儀裡面的裝置可能不是筷子和香灰，畢竟如果能夠把香灰震掉的地震波根本用不著地動儀人們就知道地震了。

但是如果地動儀與候風儀的原理相同的話，那地動儀可能也是一種檢測地震的儀器而不是預測地震的儀器。

都柱的尺寸推想為高一丈、直徑二尺，這可與總體協調。都柱與尊一樣，都有足夠的重量，這樣才可以從地震獲取充足的能量，不愁“施關發機”所必需的力不夠大。另外，尊的巨大質量能起到屏蔽作用，減少都柱受到的干擾，防止誤報。地動儀的全部“牙機巧制”則裝設在都柱及其座腳上，這樣符合“都”字本義。銅尊是一個帶蓋的大桶，尊的側壁上對稱地設八個圓孔，孔的直徑略小於銅丸，孔外飾以龍首，孔即為龍的喉，喉外為龍舌，舌有淺窩以置銅丸，銅丸靠在喉孔上，既不會掉入尊內，又把喉孔蓋緊了。龍首和龍體都只是裝飾浮雕。一旦地震，都柱與尊發生相對位移，“施關發機”，龍機將銅丸推出，落入蟾蜍口中，起到報警作用。為了改善蟾蜍的聲學效應，還可以考慮在蟾蜍腹內另設響器，如方響之類，這可以更接近原文所描述的“振聲激揚”的效果。原文中提到的“牙機巧制”，李志超將其復原為兩級放大槓桿。而所謂“關”，則被設計成分立橫棒，一端頂緊前級槓桿的輸入端，一端頂緊尊的上沿。“關”的作用在於當都柱與尊發生相對位移時觸發放大槓桿。

為了與原文“龍機”的說法一致，李志超把推動銅丸的槓桿設計成龍形，讓它的下面有兩條腿（圖上沒有表示出來，因為是在垂直圖畫方向上重疊著的）站在轉軸上，尾巴橫折又上翹，構成受控的牙。它的上身有兩隻“手”，是執行自鎖功能的。設置自鎖機構的目的是為了實現原文所說的“雖一龍發機而七首不動”。李志超稱該機構為龍鎖。其結構如圖3所示，是一個懸吊水平環，該環用八條垂直細鉤吊在尊沿上，又用八條水平細鉤牽著都柱，所以只能作小角度轉動，但足夠自由。環上有16個小立柱，每一對小立柱對著一龍的雙“手”，龍“手”是裝在龍體前的一對爪，爪是有斜縫的掌面，在向前運動時嵌入龍鎖小柱，並撥動龍鎖轉一個小角度，於是其餘七對小柱與對應的龍爪偏離，就把它們閉鎖住了。在整復時，落丸龍“手”被推複位，也把龍鎖帶動複位。

徠李志超對這一設計的靈敏度做了定量估算。他指出：假定柱與尊的相對平移 量為0.01毫米，用槓桿作200倍放大，得2毫米，這就足以控制機牙了。都柱的運動產生滾動摩擦，摩擦係數量級為0.001，這樣，克服摩擦促成相對運動的大地加速度要大於0.001g（g為重力加速度），近似為10毫米/秒^2。以此加速度獲得0.01毫米位移需要0.05秒。這些數字都是粗數，僅供半定量估算，其中0.01毫米是機構設計的主導數據，地震學靈敏性標誌是10毫米/秒^2，這是三級烈度的弱震數據。加速度延時0.05秒的設想有些保守，此數增加則位移量將以倍數平方增加，足以彌補其他數據之不足，如機牙寬度增大、槓桿放大量減少等。由此，張衡的地動儀對於烈度為三級的弱震，是可以測報出來的。根據這樣的分析，對張衡地動儀關於震源方向的測報就可以加以討論了。從現代地震學知識來看，地震過程複雜多變，前震后震強弱不同，方向也相異，要尋找震源只可能從多個台站的記錄依時間差推算，這在古代是不可能的。但是張衡的地動儀在設計中的確考慮了方向因素，“尋其方面，乃知震之所在”，就反映了這一點。這也並非完全不可能。如果候風地動儀做到了感知微震（1～2級），它應對遠處震中傳來的初波（P波）敏感。初波的地面移動方向與震源方向一致，是縱向波，所以龍吐丸的方位應能顯示一定量的方向信息。當然，這並非絕對，因為為了減少誤報，地動儀的靈敏度也會有一定限制，這樣，當地震的前鋒縱波不夠強時，地動儀可能會對之無動於衷，但後繼橫波卻有可能把銅丸震落，這樣落丸方向與震源就沒什麼關係了。李志超還討論了地動儀的其他設計方案，經過分析比較，他認為圖2所示的都柱推動牙機控制方案，從其內涵與史料呼應來說，較為完備。他據此設計製作了一個縮小簡化的雙道模型，尺寸為原大的五分之一，只有左右相對兩臂的機關係統，前後面為有機玻璃板，便於演示觀察。該模型很靈敏，完全證實了他的分析。

它比歐洲出現地震儀的時間要早一千五百年左右。但由於實物的失傳以及原始文獻記載的簡略，使得今人對其內部結構有不同的理解，這是正常的。但無論如何，張衡的地動儀具有很高的靈敏度，這是大家一致的意見。在此基礎上，通過精心的分析考證、廣泛的學術討論以及合理的模擬實驗，這個問題一定能夠得到解決。

關於地動儀的結構，目前流行的有兩個版本：王振鐸模型（1951年），即“都柱”是一個類似倒置酒瓶狀的圓柱體，控制龍口的機關在“都柱”周圍。這一種模型已被基本否定。另一種模型由地震局馮銳（2005年）提出，即“都柱”是懸垂擺，擺下方有一個小球，球位於“米”字形滑道交匯處（即《後漢書·張衡傳》中所說的“關”），地震時，“都柱”撥動小球，小球擊發控制龍口的機關，使龍口張開。另外，馮銳模型還把蛤蟆由面向樽體改為背向樽體並充當儀器的腳（見上圖）。該模型經模擬測試，結果與歷史記載吻合。

這兩個模型的基本理論都是錯誤的。張衡地動儀的工作原理是以古代“候氣”的理論，即“葭灰占律”的方式，所以稱為“候風地動儀”。張衡地動儀的工作原理不能用現代知識去詮釋，更不能只關注它的尊體。 “都”即固定，是針對遠古逐水草而居所言，“都柱”即固定的柱，用來感受來自地下的地震波，張衡用“候氣”的原理把這種“波”定義為“風”，所以稱它為“候風地動儀”。“候”，如果是讀過包括《後漢書律曆志》在內的古代文獻，完全能夠理解“候”在這裡的含義。其具體製作方法和工作原理是：在選定的位置深埋入地一根大柱，像遠古人們建房時的草房的中心柱，這個柱子用來感應來自地層的地震波。為了避免地面環境對“都柱”的影響，在適當的深度把柱周圍掏空，或者先掘土井，然後將大柱埋入壓實，距離地面相當距離使柱體與井壁分離，避免來自地面影響對“都柱”的干擾。柱頂收縮為一個有凹面或空心管的頂端。頂端凹面或空心管上置一銅球，銅球直徑和頂端凹面或空心管直徑可以根據靈敏度需要制定，這就克服了“倒立柱”製作中摩擦係數的難題。都柱頂端放置銅球，猶如旗杆頂端的裝飾圓球。在“都柱”開始收縮處，按東、南、西、北、東南、西北、西南、東北八個方向伸出八條軌道。當埋入地下的“都柱”感受到地震波在地層中傳播時，會使都柱產生相應的位移。都柱受力位移，位於都柱頂端的銅球中心偏離重心，向力量來源相反方向脫落，都柱四旁八條伸向不同方向的軌道之一承接並導引向相應方位，觸動龍口機關，龍口所含銅珠吐出，從而判定地震來源方向。