聚上美相关张衡地震仪的扩展：
张衡发明地震仪的故事 地动仪用精铜制成，圆经八尺，合盖隆起，形似酒樽。表面作金黄色，上部铸有八条金龙，分别伏在东、西、南、北及东北、东南、西北、西南八个方向。龙倒伏，龙首向下，龙嘴各衔一颗小铜球，与地上仰蹲张嘴的蟾蜍相对。地动仪空腔中央，立一根铜柱，上粗下细。铜柱周围有八根横杆，称为“八道”，各与一龙头相连。铜柱是震摆装置，八道用来控制和传导铜柱运动的方向。在地动仪受到地震波冲击时，铜柱就倒向发生地震的方向，推动同一方向的横杆和龙头，使龙嘴张开，铜球下落到蟾蜍嘴中，并发出响声，以提示人们注意发生了地震及地震的时间和方向。 一颗珠子放在平台上，如果将哪方稍微往下一按，珠于就向哪方滚动。又如我们点亮一支蜡烛，将它放在一张不平的桌子上，它总会向低的一方倒。地动仪就是根据这些简单的原理设计的。地动可以传到很远的地方，只不过太远了人就感觉不到了，但地动仪能准确地测到。遗憾的是关于张衡浑天仪中的动力和传动装置的具体情况史书没有留下记载。 张衡写的有关浑天仪的文章也只留存片断。这片断中也没有提及动力和传动装置 问题。近几十年来，人们曾运用现代机械科技知识对这个装置作了一些探讨。最 初，人们曾认为是由一个水轮带动一组齿轮系统构成。但因有记载明言浑天仪是 “以漏水转之”，而又有记载明言这漏水又是流入一把承水壶中以计量时间的。因 此，就不能把这漏水再用来推动原动水轮。所以，原动水轮加齿轮传动系统的方 案近年来受到了怀疑。最近有人提出了一种完全不同的设计。他们把漏壶中的浮 子用绳索绕过天球极轴，和一个平衡重锤相连。当漏壶受水时壶中水量增加，浮 子上升，绳索另一头的平衡锤下降。这时绳索牵动天球极轴，产生转动。此种结 构比水轮带动齿轮系的结构较为合理。因为(i)张衡时代的齿轮构造尚相当粗糙， 难以满足张衡浑天仪的精度要求。(ii)这个齿轮系必含有相当数量的齿轮，而齿 轮越多，带动齿轮旋转的动力就必须越大。漏壶细小缓慢的水流量就越难以驱动 这个系统。(iii)更关键的是前面已提到的漏壶流水无法既推动仪器，又用于显 示时刻。而浮子控制的绳索传动就可避开上述三大困难。人们已就此设想做过小 型的模拟实验。用一个直径为6.5厘米，高3.5厘米的圆柱形浮子和一块27克重的 平衡重锤，就可通过绳索带动质量为1040克的旋转轴体作比较均匀的转动。其不 均匀的跃动在一昼夜中不过数次，且跃动范围多在2°以下，这种误差在古代的 条件下是可以允许的。因此，看来浮子- 平衡重锤- 绳索系统比原动水轮- 齿轮 系统的合理性要大一些。不过，张衡的仪器是个直径达1米以上的铜制大物。目 前的小型实验尚不足以保证在张衡的仪器情况下也能成功，还有待更进一步的条 件极相近的模拟实验才能作出更可信的结论。 不管张衡的动力和传动系统的实情究竟如何，总之，他是用一个机械系统来 实现一种与自然界的天球旋转相同步的机械运动。这种作法本身在中国是史无前 例的。由此开始，我们诞生了一个制造水运仪象的传统，它力图用机械运动来精 确地反映天球的周日转动。而直到20世纪下半叶原子钟发明和采用之前，一切机 械钟表都是以地球自转，亦即天球的周日转动为基础的。所以，中国的水运仪象 传统乃是后世机械钟表的肇始。诚然，在公元前4世纪到公元前1世纪的希腊化时 代，西方也出现过一种浮子升降钟(anaphoric clock)，它的结构和最近人们所 设想的浮子- 平衡锤- 绳索系统浑天仪相仿，不过其中所带动的不是一架天球仪， 而是一块平面星图。可是在随后的罗马时代和黑暗的中世纪，浮子升降钟的传统 完全中断而消失。所以，中国的水运仪象传统对后世机械钟表的发展具有极其重 要的意义。而这个传统的创始者张衡的功绩自然也是不可磨灭的。 从当时人的描述来看，张衡浑天仪能和自然界的天球的转动配合得丝丝入扣， “皆如合符”，可见浑天仪的转动速度的稳定性相当高。而浑天仪是以刻漏的运 行为基础的。由此可以知道，张衡的刻漏技术也很高明。 刻漏是我国古代最重要的计时仪器。目前传世的三件西汉时代的刻漏，都是 所谓“泄水型沉箭式单漏”。这种刻漏只有一只圆柱形盛水容器。器底部伸出一 根小管，向外滴水。容器内水面不断降低。浮在水面的箭舟(即浮子)所托着的刻 箭也逐渐下降。刻箭穿过容器盖上的孔，向外伸出，从孔沿即可读得时刻读数。 这种刻漏的计时准确性主要决定于漏水滴出的速度是否均匀。而滴水速度则与管 口的水压成正比变化。即随着水的滴失，容器内水面越来越降低，水的滴出速度 也会越来越慢。
张衡地动仪到底长啥样？我们翻了100多年的历史……
课本中的“张衡地动仪”最近成了舆论关注的焦点。
先是有报道称，2017年投入使用的统编本初中历史教材七年级上册中，关于张衡地动仪的内容被删除。随后，人教社否认该消息，称课本中对地动仪有专门介绍。这引起了网友对地动仪的讨论。
那么，历史上真的存在地动仪吗？地动仪的复原又有什么样的故事？
史料中的地动仪
首先，关于地动仪，历史上确有记载，而且这样的记载见于多部史书。
2006年，中国科学院教授冯锐等人在文章《地动仪史料和模型研究》中集纳了涉及地动仪的历史资料。
教科书中张衡的形象。
文章统计，自东汉末年到南北朝时范晔完成《后汉书》，撰写东汉史书的共有13家，其中涉及地动仪并今天可见的史料包括司马彪《续汉书》、袁宏《后汉纪》以及范晔《后汉书》。
这些史料中关于地动仪器形的记载大体相同。
三部书中都记载地动仪“圆径八尺”，形似“酒尊”。东汉一尺约24厘米，以此推算，地动仪直径接近2米。
出土的汉代酒尊形制。图片来源：《地动仪复原模型的造型设计》截图
关于地动仪“盖”的记录，三部史料基本相同，有说“合盖隆起”，也有说“合盖充隆”、“其盖穹隆”。总之就是上端的盖要隆起。
同时，书中皆载，地动仪“外有八龙首衔铜丸”，“下有蟾蜍承之”。这也就是我们经常见到的地动仪外有八条龙，每条龙下面对应一只蟾蜍。
而关于内部构造，三书均称，“樽中有都柱，傍行八道，施关发机”。这里明确，地动仪的内部有“都柱”，并通过“傍行八道”触动其中的机关，反馈地震方位。
关于地动仪长相的N个猜测
由于史料中的记载文字颇为简练，且至今未发现存世的地动仪图片，这为后世的复原工作带来了不小难度。
也正因此，对于已复原出的地动仪来说，从不缺少争议。
按王振铎的考证，近代复原地动仪最早的是日本人服部一三。有记载显示，他在1875年就对地动仪外形进行了复原。
图片来源：王振铎《张衡候风地动仪的复原研究》截图
服部一三将地动仪设计成类似桶状，立雕的龙头和蟾蜍已基本符合今天人对地动仪的认知。
此后，英国地震学家米伦也尝试了对地动仪的复原。在1883年出版的《地震及其他地动》一书中，收录了他对地动仪的复原图式。他的设计采用悬垂法，并将悬摆突出到仪体外端。
图片来源：王振铎《张衡候风地动仪的复原研究》截图
而中国近代可考的对地动仪的复原，始于建筑师吕彦直在1917年发表的设计图。从图式来看，其复原的地动仪基本与米伦所复原的式样相同，只是对其艺术装饰和部分结构进行了补充。
图片来源：王振铎《张衡候风地动仪的复原研究》截图
到1936年，考古学家王振铎已对地动仪进行复原。该复原器外形看起来更像一个瓶，“瓶”外不见全龙，只有龙头，即便是从外观上看，和十几年后王振铎重新设计复原的地动仪有较大差别。
图片来源：王振铎《张衡候风地动仪的复原研究》截图
王振铎自己也在此后的文章中否定了这版地动仪，并称是“初步的尝试”且存在“严重错误”，“主要是因袭了米伦悬摆的推断，对倒摆认识不足，故复原成了复合悬摆”。
图片来源：王振铎《张衡候风地动仪的复原研究》截图
1937年，日本地震学家萩原尊礼尝试尝试复制地动仪的内部构造，并以“近代的无定向倒摆”原理解释仪器测震的原因。
两年后，日本地震学家今村明恒对近代复原的地动仪进行分析，并在萩原设计的基础上进行了进一步设计。
图片来源：王振铎《张衡候风地动仪的复原研究》截图
不过这两款日本专家设计的地动仪主要对内部构造进行了探索，外观并未严格按照史料中记载来制作。尤其是今村明恒的设计，基本没有一般人想象的地动仪外观。
1951年，王振铎基本推翻了自己1936年复原的地动仪，重新设计了一版。这次的复原作品后来被收录到课本中，也成为了大多数人记忆中地动仪的样子。
图片来源：王振铎《张衡候风地动仪的复原研究》截图
探索从未停止
王振铎1951年复原的地动仪采用“直立杆原理”。但这样的复原并非完美。
《华西都市报》的报道指出，王振铎虽然根据古籍记载复原出了地动仪的模型，但是因为模型内部结构缺乏合理性，所以其龙口中的铜丸无法吐下来，也就无法检测地震。
这以后，专家们对于地动仪复原的探索也并未停止。
图片来源：《地动仪的史料和模型研究》截图
物理学家李志超1994年提出自由杆模型。王湔则借鉴了现代地震仪的垂直摆结构，设置了4个重摆锤，再通过一系列装置触发直立杆倾倒。
图片来源：《地动仪复原模型的造型设计》截图
2009年，正式开馆的中国科技馆新馆展示了新的地动仪模型。该模型由中国科学院教授冯锐团队复原。
观众可以亲自动手按下按钮，观察在不同波型下地动仪的不同反应——只有横波到来它才吐丸，其他来自纵波的震动，都无法使地动仪有任何反应。这意味着，类似关门、汽车过境、巨大的炮声等都不会干扰到地动仪。
不过有报道指，学界对这一版本的模型同样存在质疑。
冯锐及其团队在一篇相关论文中这样写道，“19世纪服部一三把文字变成了猜想图形，20世纪王振铎把图形变成了展览模型”，而复原研究本身就“是一个不断深化认识、不断逼近历史的过程”。(记者 宋宇晟)
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