首页 百科知识 地动仪复原模型的百花齐放

地动仪复原模型的百花齐放

时间:2024-08-24 百科知识 版权反馈
【摘要】:随着张衡政治地位的一落千丈,地动仪也遭到冷落。各国专家纷纷投入到地动仪复原的研究中去。到目前为止,地动仪复原模型已经有13种之多,其中有6种是1963年之前的研究成果。李志超的地动仪复原模型中,都柱的质量大,所以惯性也大。正因如此,这种地动仪复原模型能对地面其他原因震动引起的垂直运动具有一定的“免疫力”,有较强的“抗干扰”能力。这种复原模型的圆球尊体上有一个高耸的中央立管,表示内部的都柱都被悬挂起来了。

随着张衡政治地位的一落千丈,地动仪也遭到冷落。到东汉末年,战祸连连,在多次的宫廷搬迁、逃难过程中,地动仪最终遗失了。

虽然,史书对地动仪进行了颇为详细的描述,但对于它的工作原理、具体装置、机关等的记载却是匮乏的,这给有心研究、复原地动仪带来了障碍

各国专家纷纷投入到地动仪复原的研究中去。到目前为止,地动仪复原模型已经有13种之多,其中有6种是1963年之前的研究成果。这六种模型分别是1875年服部一三的复原模型、1883年米尔恩的复原模型、1917年吕彦直(安徽人,1893~1929)的复原模型、1936年王振铎(河北人,1911~1992)的复原模型(悬垂摆模型)、1937~1939年萩原尊礼(日本人,1908~1999)和今村明恒(日本人,1870~1948)各自的复原模型和1951年王振铎的传统的木质模型(其原理是直立杆原理)。这六种模型都是概念模型,也就是说,这些模型都没有制作成实物,仅仅是在图纸上画出来而已。

地动仪复原图

随着对地动仪的深入研究,科学家们逐渐否定了直立杆原理,这样,自1978年以后,又有七种模型被提出来了,这些模型的影响相对来说比较大。

归纳来说,七种模型主要基于三种原理:自由杆、垂直摆和悬垂摆。

中国科技大学物理学家李志超(1935~?)于1994年提出了自由杆模型(如图a)。这种模型的设计关键是在独立都柱的底盘下安置了8个青铜铸的滚球,这样就在水平面内形成一个平面自由系统。我们知道,地震发生时,除非正好在震中(地震发生在地面底下,地震发生处称为震源,从震源投射到地面上的点正是震中),否则,其他地面上的震动一般是水平震动,而地面由于其他原因(如爆炸、坍塌、泥石流等)引起的震动一般为垂直于地面的震动。李志超的地动仪复原模型中,都柱的质量大,所以惯性也大。正因如此,这种地动仪复原模型能对地面其他原因震动引起的垂直运动具有一定的“免疫力”,有较强的“抗干扰”能力。这种复原模型最得意之处在于,一旦发生地震,地震的震动能使沉重的都柱出现相对尊体的位置变化。但遗憾的是,这种复原模型在高精度震动台上进行模型测试时,并不成功:一是灵敏度过低,这种灵敏度远远不可能达到史书上记载的张衡地动仪检测出陇西地震的水平;二是无法避开一些干扰因素的影响,与史书记载的张衡地动仪的功能不相符。

2011年4月份,湖南省益阳市南县职业中专语文教师黄佑军也完成了张衡候风地动仪的复原,它的原理是自由杆模型,只是在机关上进行了改进,它是带八条甬道固定都柱和推力板机关的张衡候风地动仪。

1都柱 2关 3龙机 4滚珠
(a)李志超(1994年)

1都柱 2候风 3弓
(b)王湔(1991年)

新疆工程学院高级工程师王湔借鉴了现代地震仪的垂直摆结构,设置了四个重摆锤,命名为“候风”(如图b)。这种复原模型中,重摆锤被倾斜放置45°,将其与具有弹性的弓相连接,这样就能使它产生一个恢复力,再经过连杆装置的放大,触发直立杆倾倒。当然,这种设计也存在缺陷,即没有受到“约束”的直立杆会对地面的垂直运动(非地震的震动)出现误触,也就是说,一旦地面有其他震动,这种复原模型也能被触发;同样,四个重锤的灵敏度过低。这种设计与史书上记载的有较大的出入。

美国科学院院士、地震学家博尔特(A.Bolt)在1978年编著出版了《地震浅说》一书。他请人绘制了一幅酷似米尔恩模型的张衡地动仪想象图(如图c)。这种复原模型的圆球尊体上有一个高耸的中央立管,表示内部的都柱都被悬挂起来了。博尔特复原模型的原理就是悬垂摆,这种设计仅仅是对米尔恩1883年悬垂摆模型的小修改。悬垂摆原理被许多地震学家在设计地动仪复原模型时所认同,如王振铎1936年的复原模型就是悬垂摆模型,中国地震学奠基人李善邦(1902~1980)院士曾经绘制的复原模型图(如图d),就是把铜柱吊起来。

(c)博尔特(1978年)

(d)李善邦(1981年)

1龙机 2关 3支点 4悬垂锤
(e)杜希贤(2004年)

1可晃动的尊体 2都柱 3铜球
(f)Sleeswyk和Sivin(1983年)

1龙机 2八道盘 3都柱 4悬链 5扶正装置6水银盘和放大机构 7重锤
(g)梁绍军等(1998年)

我国美术家杜希贤也曾在2004年设计过一幅地动仪复原模型图(如图e),它的内部结构是悬挂点在上部、而重心却在下部,就像一个没有悬线的单摆,有较好的抗垂直干扰的作用,但它的缺点也是显著的,如悬挂点的摩擦力大、灵敏度低。这种设计的内部结构只是设计者个人的设想,与史书记载的内部结构几乎没有什么关系了。荷兰的Sleeswyk和美国的Sivin的设计也是利用悬垂摆的原理,他们把粗大的都柱固定在地面上(如图f),将尊体变成重心很低的能自由晃动的壳体,支点位于都柱的上方,这样地震时外壳就会摇晃。这种模型在技术上很有创意,也接近史书记载的结构特征。此外,1998年,河南的梁麦旺和梁绍军也制作了一个用青铜为材料的地动仪模型,该模型高2.96米、重达11.3吨(如图g)。该模型的外部造型与传统相似,但八条龙的形状改成清朝时龙的样子,每条龙重达236千克。模型内部用四条长2.2米的铜链悬挂一个3吨重的重锤和支座,1.85米高的都柱竖立在支座的上部,模型内部有放大机构、水银盘机构、扶正装置、八道盘和杠杆等装置。一旦地震发生,不稳定平衡的水银盘就倾斜,水银流向一侧,这样上部支座的倾斜更厉害了,就会引发都柱的倾倒和动作。这种模型也仅仅是现代人的一种设想,与史书还是有相当大的差异。虽然它有很大的欣赏价值,但实测的效果如何,还不得而知。

历史的发展总是有点出乎意料。张衡的地动仪遗失了,但留给我们的是无尽的“追寻”真相之路。而我们发现,即便以现在的科技能力,我们也还无法揭露张衡地动仪原理的真相,无法还原真实的科技现实。

也许这正是科技的魅力吧!

当然,张衡地动仪的研究并不仅仅是复原模型,它也为地震学的发展提供可资借鉴的思想。

真实的张衡地动仪如何?也许你能使它露出“庐山真面目”。

免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。

我要反馈