候风地动仪结构分析

早在南 北朝时，北齐信都芳撰《器准》，隋初临孝恭作《地动铜仪经》，都对之有所记述，并传有它的图式和制作方法。可惜的是唐代以后，二书均失传。今人的研究则以王振铎之说影响最大。王振铎根据前人的猜测，讨论了地动仪内部可能有的各种结构，最后推断都柱的工作原理与近代地震仪中倒立式震摆相仿。具体说来，都柱就是倒立于仪体中央的一根铜柱，八道围绕都柱架设。都柱竖直站立，重心高，一有地动，就失去平衡，倒入八道中的一道。八道中装有杠杆，叫做牙机。杠杆穿过仪体，连接龙头上颌。都柱倾入道中以后，推动杠杆，使龙头上颌抬起，将铜丸吐出，起到报警作用。(图右)

推断:中国历史博物馆陈列的张衡地震仪模型，就是根据王振铎的设计复原的。但是，也有学者提出不同意见。中国科学技术大学李志超就曾对倒立摆结构提出过异议，他以全新的视角，提出了自己对候风地动仪的理解(参见李志超，《天人古义》，河南教育出版社，1995年版)。中国湖南省南县职业中专学校教师黄佑军在教研教改中进行了"教学中的科研"尝试，对惯性摆结构提出不同意见，他依据古代地听技术，提出了自己对张衡地动仪的诠释。

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。

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。

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。