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候风地动仪大意

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候风地动仪大意
公元132年张衡制造的候风地动仪可能是一系列地动仪的最后一个版本。由于众所周知的原因,之后再也没有出现过类似的地动仪。这个在阳嘉元年所复造的地动仪达到了历史的高度。
候风地动仪是用金属制造的。主要是用当时最好的青铜合金制造。但是,这并不排除少量使用其它的材料,如高强度的丝线,刚玉,以及用于外部装饰的镀金元素,金等。
候风地动仪的制造工艺是当时最为成熟的铸造工艺。这种工艺可以制造出个体较大的器件。当然也不排除使用其它一些手段。“施关发机”和“周密无际”等记载都隐含这一点,不可能像一些人吹嘘的只能用铸造一种加工办法。像八个关端的集聚区,牙机等处会使用例如研磨等手段。


1楼2014-02-23 11:24回复
    候风地动仪的外形,像当时常见的一种温酒用的器具,名叫酒樽的外形。酒樽的基本形状是一个圆柱形的带有底足水槽。一般酒樽还有一个盖子。这个盖子,有基本上是平盖略带鼓起的和高耸的两类。地动仪属于后一类。不仅如此,地动仪的盖子上还有一些不同于酒樽盖子的地方。就是它的盖子有一个隆起。记载为“合盖隆起”。像酒樽盖子高耸是为了能够容得下较高的酒器一样,地动仪盖子的隆起也是为了适应内部高起的都柱的原因。同时也不能排除一些外部的必须物,如龙和蟾蜍等以及装饰物和起吊用的钩、环之类的。
    候风地动仪的大小,由于有明确的数量记载而少有分歧。只是后人对文字的不同解读而造成了差异。现在,由于考古发现了当年放置地动仪的房屋的基础,只有九汉尺宽,使得认为候风地动仪的直径是八汉尺的观点已经被人唾弃。记载曰:“员径八尺”。其汉字的本意是,员字解读为周围,径解读为路径。我们倾向于候风地动仪的尊桶底圈,不包括外伸部分的,一圈是八尺周长。八尺周长,相当于今日的米制长度为59厘米直径的圆的样子。酒樽的宽高比,从平盖的1:1.1到高盖的1:1.5附近都有。这只是个小样本统计值。考虑到合盖隆起的因素和流行的美学观念,候风地动仪的高度可以比酒樽略高一些,取1:1.618时,最高也就在95厘米左右,不会高出多少。再高就不像酒樽了。那些希望地动仪达到300厘米以上高度的观点是没有根据的。候风地动仪质量的大小可以根据体积和密度求得。因为有“傍行八道”的记载,推算出地动仪的底部较为厚重,这样,既可以降低系统重心,又可以建立八道。所以,地动仪的质量相当大的一部分在系统下部。


    2楼2014-02-24 10:39
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      候风地动仪的系统构成,大体上可以分为地震波检测系统-都柱系统、真实信号传输触发系统-关和牙机系统、发震提示指示系统-八龙系统和发震指示锁定系统-巧制系统几部分。这些系统并非庞大的复杂系统,有的可能是只有一两个杠杆之类的部件构成比例环节。
      都柱系统是候风地动仪的核心系统。其外形像一个粗大的圆柱。当然不排除此柱子上连接有其它成分。就像房屋的柱子连接有房梁一样。你不能不称其为柱子,尽管有了房梁在其上。和普通的柱子不同的是,这颗柱子还有其内部结构。所谓的侯风部件就在其中。因为需要建立侯风部件和关的精密配合,侯风部件有自己的形状,还需要有保持和关的相对位置具有精确数值所必须的几何形状和调整手段的部件。由它们来共同完成“施关发机”的必须过程。这个侯风部件由于建立在极其精密配合下完成工作。以至于不可能任由后来的使用者干预。也就是说侯风部件是具有自行恢复到初始值的性质。在那个时代,除了悬挂物以外,再也没有可以替代的了。由于侯风部件能够自行恢复,这使得在构建候风地动仪时进行的施关发机得到的状态得以保留和重复。


      3楼2014-02-25 09:59
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        地动仪的感知要求是非常苛刻地。它要求在人们没有看到,感觉到等情况下,就已经探知了地动的发生。这个情况的数量描述,虽然有所不同,大体上还是趋于一致的。现在经常采用的是水平加速分量的数值。在这个数值之下,在前文推出的高度限制下,悬挂的侯风部件的实际摆动是十分微小的。可能小到你没有分辨出来是不是真的动了一下。但是,关已经触发牙机了。由此分析,八个关和一个侯风部件的相对位置上十分“亲密”。那个空间位置是不容干扰的。八个关也没有可能“相互交流”。出于充分利用有利条件的认识,在其不另外构建的情况下,是不会高于尊的底面之上的。这样便有了八道的出现。
        这一部分,记载为“中有都柱,傍行八道,施关发机”。其中后两项记载都不是结构部件。而是都柱系统的衍生内容。是围绕如何侯风和如何发机的铺垫。几何上看是八道,其作用是为建立施关发机必须构造。其中不仅容纳关,将来还要容纳巧制部件。不在底部建立八道,就必须得另外建立。这对材料是浪费,对高度是牺牲,对防护是默然。


        4楼2014-02-26 10:12
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          施关(发机)涉及到两个问题。一是对哪个部分进行,二是在何处,用何种手段进行。这些都没有记载。但是,又是必须回答的。施关当然是对关进行。关又在八道之内。这八个是对等的,所以侯风部件上的相对结构物必须处于八个关的中心位置。在它们之间建立精确数值的位置关系。考虑到侯风部件在受到例如温度等因素变化影响时,可能发生比如伸长导致位置上下变化,应力产生扭转时对关端发生相对位移等情况,侯风部件的施关位置不可能是复杂的特殊形状。也就是说,侯风部件的相应部位的任何位置,对于关端都是一致的。
          另外,关端和侯风部件的间隙是可以改变的。不然施关就成了空话。因为不论你如何去施,都没有变化的话,还有必要施关吗?通过改变某一个数量达到改变这个间隙的大小,使其达到最终的约定值。这就是施关的目的。这个数量可能是通过理论计算得来,也可能是实际实验测量的观测值。总之,在安装地动仪的时候,必须要检测这个数值,使其合乎地不觉动要求的数值。因此必须得施关。
          侯风部件的今日称呼应该叫“单摆”。下端的摆锤就是上面说的侯风部件。它是一个质量很大的圆柱形的家伙。底部中心有一个叫尾椎的伸出物。它就是关的面对物。这一部分由于形状的限制已经没有任何可以再行变化的余地。能够用来施关的只有单摆的悬挂端。候风地动仪就是利用这个地方来施关的。候风地动仪通过改变单摆的摆长,进行尾椎上下位置的变化。通过比例变化来改变关、摆的水平间隙。


          5楼2014-02-27 09:34
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            和施关连在一起的是发机--施关发机。如何发机呢?这就到了关和牙机系统。
            关既可以看作是牙机的附属物,也可以认为是独立的。从系统功能上看,分开更好说话。关是一个水平放置的横杆,其实也可以叫关横杆。整体的形状像一个倒立放置的T字形。就是那个几何证明等用的垂直符号(⊥)一般。水平的部分置于八道之中。它也是一个可以自平衡的装置。转轴处于部件重心的上方。重心对转轴的力臂很小,以其求得较为低廉的驱动能量的需求。关的摆动更小,远远小于摆的摆动。侯风部件的摆锤,为了消除非地动的干扰造成的摆动而发机,摆锤在最初的一部分更小的摆幅上是作为发动延迟预留的。只有达到一定的摆驱动幅度才会推动关运动。这是因为一般的非地动的影响都是小于地动的。关只有在最后的推动到达时才会随动。关的直立部分的上端有三角形断面的牙槽。平时,牙机和牙槽是搭合的。所幸,这个搭合的部分只是在很小的线度上有接触。加上之间的摩擦力不是很大,因此只需很小的能量就可以使之分开。这个搭合的限度大约是一个头发丝的粗细,所需的能量也就几百尔格。这么看来,关杆移动线度也是非常小,那个转角几乎不能察觉。所谓的施关发机里边的发机就是指的由于关杆的轻微移动而造成的牙机的分开。有点“一巧破千斤”的意思,现在称作触发。


            6楼2014-02-28 10:02
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              接下来的记载是机发吐丸。吐丸由设在外部的龙首完成。龙首张开,这需要下颚向下运动。这个运动来源于下颚和铜丸的重量。没有发机的时候,由于牙机是搭合的,下颚延伸部分的牙齿端就是那个搭合端。它被齿槽卡住而不会让下颚运动,也就是衔丸状态。只有牙机的搭合不存在了才能吐丸。正是关杆的移动造就了搭合的破坏。这就是指示系统。它主要是一个水平的杠杆。一头是下颚,另一头是牙机的一半。再有就是能发声的铜丸和蟾蜍了。这个系统是需要人工恢复的。即使是人工恢复也是极其简单的。并不会破坏到任何地动仪的运行状态。复位时,你只需要把那个铜丸从蟾蜍的口里边取出来,再放到龙口并合上下颚。
              由于单摆的性质是会自由地震荡下去,这会造成在下半周期时推动相反方向的另一个指示方向的龙吐丸。必须得有一个切实可靠的办法才行。为此张衡用“巧制”的办法来制动那个已经摆向一侧的摆锤。这个办法是利用吐丸时,下颚的下降的能量,利用又一个比例环节,制住那个刚刚才微微偏斜一点的特殊底部周围的摆锤。这是反馈的一个实际的应用,还是负反馈。你不能不说是巧。这就是巧制系统。


              7楼2014-03-01 17:50
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