张衡地动仪结构原理揭秘

张衡的地动仪已经失传千七百年亦。关于它的原样无从得知，今人所见者，皆为后人推模而成。有的和原器大相径庭，有的不得其本。本文所述之，皆按古本记述而成。违拗之处，尽量拍砖。亦不胜感激。



先看看古人是怎么说的。下面是张衡传的部分原文。

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。其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际。中有都柱，傍行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。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。尝一龙机发而动地不觉，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。

诸位，“合盖隆起，形似酒尊”只是说此器上部是个盖子，并未说是由两部分构成。（试想，加上下部的蟾蜍应该不止两部分）。所以有人把它看成两部分，我是不同意的。有人认为地动仪很大，甚至可以进人。“员径八尺，”有人按现今意识，理解为圆的(直）径或半径。本人以为，按字面意思，员，是周围之意，径，是小路之意。合起来应该是（那个仪器的）周围一圈的路线长是八尺。这刚好合一尺一条龙。巧合吗？

再看，“其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际”。如果是一个部分，内部机构如何安装调试？再者“覆盖周密无际”是什么意思？明明是说的，像酒尊的那个东西，看不出有缝隙。就是工艺上乘。让人看不出（是两部分）结合。

其三，“虽一龙发机，而七首不动""。按着现在公认的悬垂摆结构看，似有什么机构阻尼了摆动的都柱往回摆动,而误触发对面的”一首“。不然“摆”来回一动，两首尽发，不南辕北辙吗？

后来，“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。"这是该仪器实际工作的一个例子。是说，有一次，“一龙机发而地不觉动”。从这里可以推出两个结论。一是地未动而机发。结论是，该仪器误动作。言外之意，就是抗干扰能力差。显然是误报，市人多“咸怪其无征”。另一个结论是地动而机发。（后来确实“果地震陇西”。）结论是，该仪器灵敏度高（至少高于常人）。因为，“龙机发而动地不觉”，肯定是人不觉了。

由此观之，这是一个精密的仪器，灵敏度抗干扰性都相当好。同时制作工艺上乘，推知应该是使用方法简便，可靠性高。

本人推断地动仪的结构分成3部分比较合理。一是底座部分，这部分包含了仪器主要部分。“牙机巧制，（皆隐在尊中，覆盖周密无际。）中有都柱，傍行八道，施关发机”。这部分应该是一个坚实厚重的主体，几何中心对应都柱中线，八道环于其（都柱）周。每道为一龙之巧机。八道相同。巧机在底座上的部分是一个由本身重力平衡的地震信息传递杆构成，是个杠杆系统。支点所分两段的长短比例可以调整，以确定所需的灵敏度。其形状大体成L字母形状。底端点指向都柱底部位置，与都柱摆幅最大处相依。其离开都柱的距离可以调整，以控制“八道”一致，距离大小可确定灵敏的大小。（应该是离得越近越灵敏。）这些都是在酒尊未装上时进行的。除都柱高低位置外，安装调试皆在此时进行。

同时，（可能）还包括如下部分。底座应该是个按八卦或东南西北，东南，西南，东北，西北的八个方向所指的八边形。八道下有一个连杆机构，外端处于蟾蜍口内，里端皆分布在都柱底平面下方，每道占八分之一都柱底面面积，端上上覆以毛毡。里端附近上下均有限位机构。八个蟾蜍是固定在底座上的。

第二部份，是酒尊部分。其主要部分是内部的地震信息传递杆的酒尊触发部分。外部的龙口是一个下颚可动的机构。下颚是机构的外端。未安装铜球时下颚（由于重力作用）是张开的。安装铜球时，只需把球放入口内，合上下颚。这就说到内部，龙口下颚的里端是和八道机构L的上端链接。大体上相当于”棘轮“。L立杆上端有突出部分，下颚连杆止于其下。酒尊上部还应该有一个都柱吊线提拉，中心调整机构。去掉尊盖，就能操作这部分。应该是个十字结构，十字中心是个绳孔，正对都拄圆心中线，安装时有夹紧装置固定绳端。在安装此部分时，只需对准八道，(可能有接榫）放正。然后把已经连着都柱一端的摆线绳穿过上部定位孔。就可以进行都柱高低调整。（可能事先留有记号，能保证都柱摆幅最大处契合与L杆底部端上下中间。不过要求不是很严格。）

最后是盖子。防止空气流的对仪器的不良影响。

原理：

都柱为地震波能量接收器件。地震时，发生摆动，对应方向的八道之一被触发。（L杆底部“一”部分后退（离开都柱方向）。直立部分有一处是杠杆的支点位置（有底座上的立柱相连轴固定）导致L杆上方前行（就是离开酒尊向都柱方向运动）。L杆上端离开龙口下颚连杆机构里端点。此端开放后，由于重力作用铜球下落，蟾蜍口中的连杆机构，在铜球重力作用下向下移动，另一端毛毡向上移动，与都柱底面接触，产生阻尼，使得都柱慢慢回到平衡位置。不会冲向对面。由于限位作用，不会破坏都柱状态。工作人员记录后，取出铜球，放回口中，合上下颚。系统复原，可以进行下一次测试。







上面是牙机巧制的”棘轮“处。立杆是L杆上部分。水平部分是龙口下颚连杆里端。所谓L杆，只是说法，实际图形是其镜像。相当于矩形右下角的一部分。

“员径八尺，”有人按现今意识，理解为圆的(直）径或半径。本人以为，按字面意思，员，是周围之意，径，是小路之意。合起来应该是（那个仪器的）周围一圈的路线长是八尺。这刚好合一尺一条龙。巧合吗？

牙机巧制

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