张衡的地动仪真的有效吗?

2018-11-06 | 见丰网
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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。

 

冯锐等人重现的张衡地动仪模型

因此,要想预测地震的方位,还需要更先进的仪器设备,这对东汉时代</a>的张衡来说,是一个不可能完成的任务。

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【责任编辑:阿诺】
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关键词: 地动仪张衡