张衡的地动仪真的有效吗其实是这样...

2021-08-26 22:12:50

地动仪地震

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地震是一种破坏力大的地质灾害。在我国的东汉时期，就有一个叫张衡的学者，发明了一款叫做“地动仪”的仪器——此仪器据说能判定地震发生的方位（因为古代没有电话与遥感卫星，所以看起来这个仪器对于及时救灾还是很实用），那么，张衡的地动仪是不是真的有效呢？

　　我们可以从力学的角度上来分析这个事情。

　　我们知道，张衡时代的仪器是机械仪器，那时候还没有电子设备，什么传感器，模拟电路与数字电路都是没有的，唯一有的就是青铜器。那么张衡在公元134年前做的地动仪的核心部件就是一个青铜的圆柱子——根据《后汉书》的语焉不详的记载，我们大致可以判断，该圆柱子可以存在3种不同的可能性，分别是：

a：上端自由，下端固定

b：下端自由，上端固定

c：上端与下端都是自由的，都不固定

三种不同的圆柱子摆放方式

地震发生前，这根圆柱子会朝某一个方向倾倒，砸中那个方向上的龙吐出珠子，被底下的蛤蟆接住。

　　因此，从力学原理上来看，这圆柱子在地震来临之时倾倒，这就是利用了所谓“共振”的物理原理。

　　共振的意思是说：铜柱子的固有频率（任何固体都有一个固有频率，所有大桥也有固有频率，军队在大桥上齐步走的频率如果与大桥固有频率相同，就会发生共振）与地震来临前发射的次声波（一种频率小于20赫兹的声波）的频率非常非常接近，所以铜柱子从地震次声波里吸收了能量，导致共振的发生，铜柱子的振幅越来越大，马上就会倒塌。

因共振而崩溃的大桥

　　那么，问题来了，铜柱子应该朝哪个方向倒塌？

　　根据中国地震台网冯锐等人的试验，铜柱子的倒塌方向是随机的，不一定会朝地震发生的那个方向倒塌。

　　因此，可以说，张衡的“地动仪”是利用“共振”原理来工作，这一点是值得肯定的（因为地震前的次声波传播速度很快，在地震的纵波与横波传过来之前，次声波早一步到达事发地点，因此这个地动仪有一定的预测地震的作用），但此“地动仪”是无法判定地震发生的方位的。

　　用共振来解释生活现象，从东汉到晋朝，已经成为当时学界的主流思想之一。晋朝学者张华就曾经在他的书《博物志》里解释了一个现象：当时有些老百姓家里的铜脸盘每天早上晚上都会莫名其妙的自己颤抖起来，发出嗡嗡的声音，张华解释说，这是因为铜脸盘的固有频率与皇宫里早晚2次敲钟的声音频率一致了，发生了共振。

　　因此，张衡的地动仪，也可以被张华的理论所解释。

　　由于张衡的地动仪早已失传，现在我们能看到的地动仪模型都是后人根据史籍复原的。其中现在最常见的老模型，即1951年的王振铎模型，近年已被证明从外形到原理均错误。另一种模型由中国地震局冯锐（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。该模型经模拟测试，上面提到的第2种情况的圆柱子灵敏度高，在地震发生的时候能做出很好的响应，但无法感知地震发生的方位，试验结果与历史记载（张衡地动仪预测陇西地震这件事情）部分吻合。