张衡发明的地动仪的故事

　　张衡是我国东汉时期伟大的天文学家、数学家、发明家、地理学家、制图学家、文学家、学者，在汉朝官至尚书，为我国天文学、机械技术、地震学的发展作出了不可磨灭的贡献。那么你知道张衡发明地动仪的故事吗?一起来看看小编给大家精心准备的资料，欢迎阅读!

　　张衡发明地动仪

　　中国的历史上，除了文人雅士、帝王将相，也有很多的科学家，张衡就是其中很著名的一个。张衡一生做了很多的事情，但是，他最有名的发明就是“地动仪”了。那个时期，经常发生地震。有时候一年好几次。发生一次大地震，就会给老百姓和国家带来很多的伤害。

　　当时的皇上和老百姓都把地震看作是不吉利的征兆，认为是鬼神造成的。张衡却不信神邪，他对记录下来的地震现象经过细心的考察和试验，发明了一个能测出地震的仪器，叫做“地动仪”。

　　地动仪是用青铜制造的，形状像一个酒坛，四围铸着八条龙，龙头伸向八个方向。每条龙的嘴里含着一颗小铜球，龙头下面，蹲了一只张着大嘴的蛤蟆。哪个方向发生了地震，朝着那个方向的龙嘴就会自动张开来，把铜球吐出。铜球掉在蛤蟆的嘴里，发出响亮的声音，就告诉人们那边发生地震啦。

　　公元138年2月的一天，地动仪正对着西方的龙嘴突然张开来，吐出了铜球，这是报告西部发生了地震呀。可是，那天洛阳一点地震的迹象也没有，更没有听说附近有什么发生了地震。于是，朝庭上下都议论纷纷，说张衡的地动仪是骗人的玩意儿。过了没几天，有人骑着快马来向朝廷报告，离洛阳一千多里的金城、陇西一带发生了大地震，连山都有崩塌下来的。大伙儿这才真正的信服了。

　　张衡虽然后来在政治上并不顺利，但是，他的这些科学发明和实验在我国科学史上留下了光辉的业绩。

　　拓展：发明创造

　　多级刻漏

　　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。

　　为了提高刻漏运行的均匀性和准确性，古人想了两步对策。第一步是把泄水型沉箭式改为蓄水型浮箭式，即把刻漏滴出的水收到另一个圆柱形容器内，把箭舟和刻箭都放在这个蓄水容器内，积水逐渐增多，箭舟托着刻箭渐逐上升，由此来求得时刻读数。第二步则是在滴水器之上再加一具滴水器。上面的滴水器滴出的水补充下面滴失的水，这样，可使下面的滴水器水面的下降大大延缓，从而使下面的滴水器出水速度的稳定性得到提高。这样的刻漏称为二级刻漏。如果按这思路类推，可以在二级刻漏之上再加一级，则刻漏运行的稳定性又可提高。这就成�HBA�三级刻漏，如此等等。大概在隋唐以后，中国发展出了四级和四级以上的刻漏。不过，关键的从单漏到二级漏这一步发生在什么时代?在张衡以前的文献和考古实物中都没有提供明显的资料。

　　不过在一篇题为《张衡漏水转浑天仪制》的文章中描述了张衡所用的刻漏是一组二级刻漏。这篇文章当是张衡或其同时代人的作品，原文已佚，现只在唐初的《初学记》卷二十五中留有几段残文。文如下：“以铜为器，再叠差置。实以清水，下各开孔。以玉虬吐漏水入两壶，右为夜，左为昼”。“(盖上又)铸金铜仙人，居左壶;为金胥徒，居右壶”。“以左手把箭，右手指刻，以别天时早晚”。其中所谓叠置当是指二具刻漏上下放置。所谓差置是指上下二具容器放置得不相重而有所错开。所谓再叠差置当是指有三层容器错开叠放。至于下面的蓄水壶又分左、右两把，那是因为古代的时刻制度夜间和白天有所不同，所以张衡干脆就用二把。同时，这样也便于刻漏的连续运行。

　　浑天仪

　　张衡在创作了浑天仪之后曾写过一篇文章。此文全文已佚。只是在梁代刘昭注《后汉书·律历志》时作了大段引述而使之传世。刘昭注中把这段文字标题为《张衡浑仪》。称之为“浑仪”可能是刘昭所作的一种简化。在古代，仪器的定名并不严格。虽然后世将“浑仪”一词规范为专指观测仪器，但在隋、唐以前，“浑仪”也可用于表演仪器。刘昭所引此文与前面提到的《张衡漏水转浑天仪制》是否原属一篇文章，此事也已无可考。不过从二者标题文字相差甚大这一点来说，说是二篇文章也是有理由的。不管这事究竟如何，单说刘昭所引，近人已有证明，它应是张衡原作。

　　我们考察刘昭所引的这一段文字大约有三个内容。第一部分讲浑天学说和浑天仪中天极、赤道和黄道三者相互关系及彼此相去度数。第二部分讲所谓黄赤道差的求法和这种差数的变化规律。这是这一残文中的最多篇幅部分。第三部分讲黄道二十八宿距度以及冬、夏至点的黄道位置。仔细研究这篇残文可以得到两点重要信息。

　　其一，文中介绍了在天球仪上直接比量以求取黄道度数的办法：用一根竹篾，穿在天球两极。篾的长度正与天球半圆周相等。将竹篾从冬至点开始，沿赤道一度一度移动过去，读取竹篾中线所截的黄道度数，将此数与相应的赤道度数相减，即得该赤道度数(或黄道度数)下的黄赤道差。从这种比量方法可以悟得，中国古代并无像古希腊那样的黄经圈概念。中国古代的黄道度数实际是以赤经圈为标准，截取黄道上的弧段而得。这种以赤极为基本点所求得的黄经度数，今人名之为“伪黄经”、“极黄经”(实际当名为“赤极黄经”)等等。对于像太阳这样在黄道上运动的天体，其伪黄经度数和真正的黄经度数是相等的。而对黄道之外的天体，则二者是有区别的(当然，除了正好在二至圈——过冬、夏至点及赤极、黄极的大圆——上的点之外)，距黄道越远，差别越大。

　　其二，文中给出了所谓黄赤道差的变化规律。将赤道均分为24等分。用上述方法求取每一分段相当的黄道度数。此度数与相应赤道度数的差即所谓黄赤道差。这是中国古代所求得的第一个黄赤道差规律。黄赤道差后来在中国历法计算中起了很重要的作用，作为首创者的张衡其贡献也是不可磨灭的。

　　除了刘昭所引的这段文字之外，在晋、隋两《书》的“天文志”里所引述的葛洪的话中转引了一段题为《浑天仪注》的文字;在唐代《开元占经》第一卷里编有一段题为《张衡浑仪注》和一段题为《张衡浑仪图注》的文字。把这3段文字和刘昭所引的《浑仪》一文相比较后可以知道，葛洪所引的《浑天仪注》这段文字不见于刘昭所引，而见于《张衡浑仪注》中。《张衡浑仪注》的剩余部分和《张衡浑仪图注》即是刘昭所引文字的分割，但又有所增删。除此之外，在《开元占经》卷二十六“填星占”中还有3小段题为《浑仪》的文字;卷六十五的“天市垣占”下小注中有题为《张衡浑仪》的文字一句。这4段文字也不见于刘昭所引。总括上述情况，可以得出两点结论：其一，刘昭所引只是张衡《浑仪》一文的节选。张衡原文的内容更为丰富一些。但丰富到何种程度，现已无可考。且自《隋书· 经籍志》以来的目录著作中，对《浑仪》(或《浑天仪》)一文从来只标注为“一卷”。因此，想来不会有惊人的数量出入。其二，张衡《浑仪》一文确曾被人作过注，还补过图注。注和图注大概不是一人所注，且大概不是张衡本人所加，否则就不会有单独的《浑仪》一文的存在了。

　　这几段与《浑仪》有关的文字中当代研究家最关心的是葛洪所引的《浑天仪注》是否是张衡原作的问题。因为这一段文字素来被现代研究家视作中国古代浑天说的代表作，甚至视其地位犹在《灵宪》之上。过去人们当然把它看作是张衡的作品。但到70年代末，有人对此提出了全盘的否定。认为所有冠以或不冠以张衡之名的《浑仪》、《浑仪注》、《浑仪图注》、《浑天仪注》等等都是后人的作品。嗣后，又有人对之作了全面的辩驳，维护了传统的观点。这一段争论前后历时长达12年。现在看来，全面否定张衡有《浑天仪》一文传世的论点已基本失败，即至少可以肯定，刘昭所引的《浑仪》一文是张衡原作。但否定者仍有其历史贡献，他启发人们去注意古代文献流传中的复杂情况。例如，过去人们并未认识到《浑仪》一文还有行星和恒星等方面的内容。同时，也仍然还有理由可以怀疑葛洪所引《浑天仪注》一段是否是张衡原注。因为第一，这一段名之为“注”，而在古代文献中，加不加“注”字是有本质差别的。不加“注”字的是指原文，加“注”字的就有注文。既然有不加注字的《浑天仪》，则加“注”字的《浑天仪注》就不只是《浑天仪》原文，而且还有注文。第二，《浑天仪注》的思想就其正确面而言，并不超出《灵宪》。如果我们把《灵宪》中的地看作是浮于水面，孤居天中央，远较天为小的陆地的话，那么这与《浑天仪注》所说的“地如鸡子中黄，孤居于天内，天大而地小。天表里有水，天之包地犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮”等这段纲领性的话并无矛盾。反之，《浑天仪注》中认为“北极……出地上三十六度”，这段话当不可能是注重实际观测的张衡的结论。张衡的诞生地南阳，长期当太史令的地点洛阳，都不会有北极出地三十六度的现象。根据他曾到过全国很多地方的经历来看，张衡也似乎不应有北极出地为固定值的概念。这大概也正是他在《灵宪》一文中未提北极出地数值的原因。有鉴于此，宁可把《浑天仪注》的作者问题作为存疑，而期待今后的研究与发现。

　　瑞轮

　　荚更是一件前所未有的机械装置。所谓荚是一种神话中的植物。据说长在尧帝的居室阶下。随着新月的出现，1天长1个荚，到满月时长到15个荚。过了月圆之后，就一天掉1个荚。这样，数一数荚的荚数就可以知道是在一个朔望月中的哪一天和这天的月相了。这个神话曲折地反映了尧帝时天文历法的进步。张衡的机械装置就是在这个神话的启发下发明的。听谓“随月盈虚，依历开落”，其作用就相当于现今钟表中的日期显示。

　　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。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。