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地动仪复原科普贴

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从今天开始搞一个地动仪的科普。因为见到太多不明白就理的人在谈地动仪。这也许是需要我们澄清的。
这是从擂台吧搬来的。给见不到的复原友欣赏。科普当然是对那些求真求解的人说的。对另一些人就不是了。这些人脑壳僵化,被水浸满了。除了倾尊和球什么都看不上。因此,不包含这些人。
请二楼细看。
仔细看!看仔细了。不懂请发问。


1楼2016-09-05 11:47回复
    科普一。
    地动仪不是万能地动仪。
    话说有一些人总是挑剔地动仪的准确程度。什么50%了,不足一半了。和其若神了。那么地动仪究竟能准确到什么程度呢?
    你多半学过牛顿定律。毕业了,才听说牛顿定律不对了。被相对论推翻了。谁说的对呢?
    任何理论都离不开前提。你看那个欧氏几何,不也有一个什么第五公设的问题吗。不承认第五公设就是非欧几何。牛顿定律也是。你把他放在非低速世界,就有问题了。但这并不一个像他的正确性。
    回到地动仪。我们早就说过,地动仪不是万能地动仪。地动仪是为了监测某一类的某些值域内的地震而设计的仪器。
    狭义的说,候风地动仪是为了检测经常见到的,振动方向和地震波传播方向一致的某一振动幅度之上的检测仪器。
    不是这个定义以外的地震可能出现可预料的误差或反应。
    地震的种类较多,大小范围较大。地动仪并不能全部“和其若神”测之。但是在定义之内的没有例外。
    我们不知道当初张衡设定的感应振动的初始值是多少。只有一个类比的形容。就是人没有感觉到,地动仪感觉到了。这要区别是什么人。我们只好选择占有最大份额的部分为主设计。找一个最敏感的人,怎么证明也是一个问题。通常的选择是合理的。
    幸好我们有一些数据,这可以为我们确立它。
    地震波经过传播,杂散消耗殆尽。我们需要面对初波。水中强度的减低想检测以后的波振动更难。
    这个也有数据供我们参考。
    如此,你可以计算得出地动仪需要的设计必须的参数。这就不太难了。
    总之,地动仪在这个默认条件下才有记载的性能。


    2楼2016-09-05 11:48
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      楼主是一直认为地动仪能够100%测出地震方位的。现在改变认识了,值得表扬。那么,地动仪能够超过50%的正确率吗?


      IP属地:广东来自Android客户端3楼2016-09-05 18:09
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        科普二
        候风
        检测地震波靠什么?一要靠地震波的可检测性。二是有可行的办法。
        地震波在传播以后,形成了较为单纯的波形。再按幅度和分量选出可测之部分。
        候风地动仪的候风办法是什么?记载没有明文记之。但是,根据其它部分和逻辑关系,我们可以判断出候风的一些基本事实。例如,傍行八道,可以推断候风位于中央位置。通过“施关发机”判断其可动且动微。通过都柱可以判断在内部有候风於中。
        我们且先放下这些。看看候风的一些必须的参数是什么。然后再设计可用的候风装置。
        根据现在较为公认的数据看。(所有计算全部略去)当采纳水平分量检测时。这个数值大约在0.8(厘米/秒方)地震的波动频率常在2-20赫兹,取其最佳数据时其可能推动候风的时间也不过1/8(秒)再加上可以利用的非推动时间。总和也不到1/2(秒)。这么长的时间,候风最多(不计损失)可以运动的距离为0.1(厘米)。也就是一毫米。当换成更高一些的频率时 只有这个值的十分之一。再扣除损耗的话,你会有多少可用呢?
        这个事实告诉我们。候风的运动范围相当微小。也就是,如果你希望检测到一般的地震。候风的运动设计推断不应该超过0.1毫米。
        如果我们设计一个球(其实这是冯锐的幻想。设计候风面对的是关。)只需要最基本的计算就知道这根本不可能。候风根据记载推断。在一个密闭容器内,候风必须能够自行完成初始化。这样就只有悬挂物体了。
        候风多大?什么样?
        候风的大小应该视其推动的关所需的能量来设计。关发牙机的能量越多,候风的质量越大。但这不是无限的。很多其它限制制约。例如吊线的强度。因此,候风要和其他部分系统考虑。
        候风的样子更是奇怪。要考虑悬挂物的性质,质量,与关的配合等许许多多因素。不是一句两句能够说的清楚的。
        这里我们可以告诉大家。按照养竹版的计算 ,在牙机发机的能量为几十到几百尔格时,其质量在几十到上百千克,甚至更高。
        养竹版估计在一百左右的发机需求时,候风的质量应该在20千克以上。
        另外,由于记载的关摆设计会是“施关”部分限制在一个很小的范围之内。这竟是设计关的根本原因。


        4楼2016-09-06 15:13
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          科普三
          牙机
          牙机是地动仪的最紧要 的结构。机的意思是触而即发的装置。这个牙机本不是什么稀罕物。倒是被各位文人糟蹋了。其实,牙机的原理和其变形结构在中国大地,从古至今在民间被广泛使用和流传。即使是现在也不乏先例。从城市到乡村再到深山沟,无处不能见到。例如,打老鼠的平板夹子,乡下儿童春季打鸟的鸟夹子,再到山里打大型野兽的踩盘夹子都是记载中的牙机原理。春天,乡下孩子用夹子打什么油拉罐子,什么仨半斤。(都是当地土名)常捉一些玉米虫。夹在鸟夹子的支管处,这个“牙机”是一段细竹管,中间穿一个线绳套,下端系在弹簧钢丝的中间。竹管开有齿槽。另一个牙棍。当地人叫支棍,一头削成扁平,另一端系在夹子不动部分的突出处。使用时,搬开夹子让支棍卡在夹子的可动一方,支棍卡在支管的齿上。安放时以土伪装,只露出玉米虫。那个沙曼鸡在高空就能看见虫子。厉害的很,
          (见图示)
          不同的是老鼠夹或鸟夹都是依靠弹力,外加诱饵引起外触发。而地动仪则没有诱饵,由候风触发。支持力也由弹力变为重力。其原理完全相同。


          7楼2016-09-08 11:36
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            科普五
            巧制
            如果你不了解地动仪的结构和运作原理,你根本不可能理解巧制。
            巧制是张衡在设计地动仪时采用的最为令人瞩目的发明。你怎么理解都不过分。在那个时代就运用到反馈办法不能不说是奇迹。
            首先,这个“制”字的意思就是制动。张衡想制动什么?回想一下候风。可以自动恢复。它不动行吗?它动的话难免不另发。如南先发,则北后发。或发东有西。怎么解决?最好的办法就是在发机以后即刻止动。这啥时候发机你知道吗?看来用你止动不可靠。最佳的办法就是在发机时,分别分出一路人马即刻止动。也就是说要由牙机负责止动。
            张衡设计的办法是在牙机的输出端反馈一个信号,驱动一套装置,阻止候风的下一步动作。
            这就是巧制。巧者出人意料也。大家都会,人人都知道何称为巧?牙机常物也,巧制则非常人可悟。
            你不认为这是平子的成就而言其修饰者也,是无知也。
            巧制是机械负反馈的最早的应用之一。
            图略。


            9楼2016-09-12 10:32
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              科普六

              如果你用了关和巧制,你如何安排它们?
              候风为了求得最大化,需要一个伸出部分。这样你把它安排到紧靠底面?你考虑到候风的大摆幅对牙机和关的危害吗?还有,候风的重心提高了也是不希望的。
              最好的办法就是候风维持低位不动。在底部开洞以容候风的突出部分。这样开洞的范围可以限制候风的运动范围。那关怎么办?沿关的方向开槽,以容关。这刚好可以容纳巧制的横杆部分,同时支撑巧制的支点位置也不必另外建造。只要在这个槽旁建造即可。这样在的理由是,保证候风的低位,给候风运动限幅。保护了关和巧制,免去可能的不利影响。这样全部内部部件就全部集中在那个柱子上。再不和其它部分发生联系。增加了可靠性,以及减少相应的制造调试的困难。
              另外,道不是什么给球滚动的道路。球本身就是无中生有,再这么定义道不是可笑吗?
              道是地动仪设计上的空间结构产生的构型。这一切都是为了地动仪的性能。是张衡计算的结果。


              10楼2016-09-13 10:45
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                科普七
                什么是都柱?
                在地动仪中为什么一个部件被称为都柱?且不论都字什么含义。先看看地动仪的内部都是怎么联系起来的。在地动仪内部有多少部件?很少。按照类别看就只有候风,牙机巧制。如果还包含关的话,可以单独列出。如果看作是牙机的一部分( 仅仅是有名字的部分而已),那就无需单列了。
                这些部分怎么组合到一起?你看王振铎的结构松散的很。再看冯锐的也是五十步笑百步。试想这么一个精密的结构如果分列不同的组件上。例如,冯锐的候风曾经设计在尊盖上。势必造成结构松散和难以精密配合。加工和调试都有困难。(如冯锐的候风就需要盲安装)。再加上以后的温湿度变化,轻微震动等造成位移。其误差难以控制。
                张衡是把它们全部集合到一个部分。这个部分就是都柱。
                首先候风需要支撑系统。(包括其需要的精确调整部分)这个支撑系统必须足够可靠。就是能够支持候风的悬挂和运动带来变化。这个变化不能影响其和牙机巧制的关系。最好的办法就是这个部件既支持候风有支持牙机巧制。这样,它们相对变化会更少地影响候风牙机组合。看记载分析都柱似乎是后装配上去的与底座可分离的部分。
                这时都柱内部支持候风。有一套悬挂和调节系统。都柱的外侧支持牙机巧制。这使得它们的配合更精密和不容易被干扰。
                外形上看。去掉尊的外壳。显露出来的中央一个粗大的柱子。为什么粗?是因为候风的质量很大。并且要求其重心尽量低。如此,候风被做的十分扁平。于是增大了都柱的粗细。都柱很高。这是因为需要在候风摆动时减小摆动的角度。这有利于提高候风的推动能力。都柱的外壁伸出八长八短的一套支架。长的用于安装牙机平杆。短的安放牙机立杆。这样整个牙机配合起来不受干扰和容易调试和确保精密程度不被改变。巧制部分有牙机横杆控制。除了那个看见一根竖直的部分以外。其它的全部隐与八道之内。如果你不看重底座。则全部结构都是由都柱支撑。当然,都柱静谧地安放到底座之上。
                现在,你给这个柱子起个名字。叫什么才贴切?
                有人说,都柱有集成,集总的意思。这是说都字。柱子,不看附加成分,就是一个普通的柱子。加上其它部件才成了一副管家的模样。
                这就是都柱。就是为什么叫都柱。


                11楼2016-09-19 10:40
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                  科普八
                  形似酒尊
                  酒尊乃一容器也。装酒或用于温酒者也。形似就是像。酒尊的模样不干酒事。
                  地动仪为什么要做出酒尊形状?这绝不是刻意的。你看上一楼的图片。在其选一些关键点,用线段或平滑线段连接起来,以都柱的轴线为轴,得到旋转面。把它作为地动仪的防护与密封的外壳。这是最简与最合理的做法。再看看它和当时的什么常见的器物有点相似?见仁见智,有人说是形似酒尊。
                  按照现在的东西类比你说它像一个威胁的粮囤也行。像个小蒙古包也不错。这只是一个普通的比喻罢了。
                  可是有人不愿意。说这个形似酒尊是错误的。应该是形似倾尊。你问他倾尊啥样?他说:有些歪歪,下面有水。上面有窟窿。底下有洞。...云云。这个外壳是干什么的?保卫局的?环卫排水科的?反正我们不懂。
                  当问其球何物也?其必曰冯锐都不敢曰抄袭者也。可见其独创非记载之物也。


                  13楼2016-09-20 13:45
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                    科普九
                    地不觉动
                    人的感觉是不同的。有些人敏感些。有些人迟钝些。这个情况可能会因训练有不同。但是,对于一般人而言他们的感觉程度的人数分布应该适合于一个什么函数。假设符合正态分布吧。我没有研究过。只是希望如此。
                    那么这个大多数的情况应该在峰值或附近的一个区域内。就是说,特殊敏感的不多,迟钝的也很少。因此,我们有理由认为,这句记载是说对于大多数普通人来说,他们没有感觉到地震的发生而地动仪已经探测到它了。
                    结论就是地动仪的感知灵敏程度要高于普通人。那普通人的感觉是多少呢?
                    我们打个比方。人们坐火车旅行。当火车开动的时候。有时人会感到很猛烈的启动过程,有时则叫平和,但是依然可以感觉出来火车动了。还有更多的时候是没有感觉车在启动。(现在的技术经常能做到这点)
                    我们如果做一个测量。就可以划分出这些感觉的和运动的映射关系。如果在地震的时候也进行这种测量,我们就将掌握这方面的数据。当然,我们现在不一定非要等到地震时去做。
                    当你做电梯时,上或下赶一开动时,往往会有感觉,有的电梯则很少有。我们当然有可以仿照什么去做。
                    究竟哪个更适合地动仪去区分呢?这要看地动仪设计的初衷。
                    张衡的候风地动仪及其关摆结构能够检测的是水平的加速情况。这个分量现在有基本公认的数值可以参考。因此我们就可以检验地动仪的结构理论上是不是能够做到这一点。地动仪比人的感觉灵敏。
                    如果理论上做不到。我们就可以确定地动仪不可能做到地动不觉。如果理论上可以,那我们还要确定扣除机械损失以后还可以成立才行。如果你的模型做不到,那不代表候风地动仪做不到。
                    我们可以从地动仪的结构一点一点地去分析。
                    首先,牙机能做到什么程度。如果理论上牙机没有约束,那是最好了。其次是候风能不能达到需要的摆动和能量输出。如果也没问题,就基本可以断定,地动仪可行。最后再考虑可能的损失的最大值。我们如果能克服这些。就能证明地动仪的地动不觉是真实的。
                    养竹村复原的模型牙机理论上只需克服一个点(几何点)。能量可以设计到需要值。候风的摆动幅度足以推动牙机。这已经能够做到地动不觉了。
                    地动不觉不是一个虚词和形容词。是实实在在的地动仪性能的表述。这是在计算之后的结论。它是真实可行的地动仪。


                    14楼2016-09-21 15:11
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                      科普十
                      一龙发机,七首不动
                      这个字面不用解释。没有人不懂。
                      可是,有人发明了“永远一龙发机”这个奇怪的东西。什么叫永远?我听老人讲过,前些年有“永远健康”一词流行过。现在早就不永远了。再有就是上学时,知道有个“永动机”。我曾经问家兄,有永动机吗?答曰:“那要是大轴坏了呢?还动吗?”我说:“不算坏了什么,只要动就行。”家兄问:“那永动机是什么时候开始动的?是刚做好就自己动起来还是需要启动一下?”我想,什么意思?“如果不需要启动,那么永动机就停不下来。如果需要启动,那怎么开始呢?这里边的哲学问题让人头疼。
                      看来它需要一个定义。
                      同样。永远一龙发机也是个伪命题。如果地动仪倒了算几龙?如果地震来了没有发机算几龙?记载没有的你不能胡诌。你怎么定义永远?这就是要区分出不是一龙发机的情况。那永远的意义何在?
                      上面的对话看上去有些抬杠的架势。其实是告诉你这个一龙发机还真有蹊跷。
                      地动仪的吧震源划分成八个区块。这时就要区分不同的点如何响应的问题。这点就是震源点。我们都知道区域的边界点可能属于区域,也可能不属于。你怎么在理论上表示它们,又怎么在实践上完成它们?
                      这不是一个高深的问题。但是,对于一些数学上一知半解的人还是过于艰涩了。
                      其实我们需要区分区域内点和界点的不同。分别处理。如果界点对于内点在概率上很小。就是小概率事件。我们理论上有了办法以后,也不必在其它时间对根本不懂数学或不了解地动仪的陌生人讲,你的琴技我是知道的。牛我更知道。
                      记载列出极大部分的情况,进行表述,这没有什么不对。忽略那个小概率实际不可能事件也是正确的。这里,既没有采伪,也没有弃真。
                      边界点 的问题不是面对一般大众的理论问题。完全可以不讲。讲了,就需要具备一定的数学知识才行。张衡知道。你不懂。


                      15楼2016-09-22 11:38
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                        科普十一
                        合契若神
                        什么是合契若神?这先得定义什么叫神。在中国民间是把人分成不同层级的。例如皇帝就不是人而是真龙天子是神了。人们只要有根基,经过修炼也能成为神。但是神并不是最高级别。其上面还有仙。例如,封神演义中的姜子牙有一个兵器。当然是宝物。叫打神鞭。就是这个打神鞭却打不了仙。看来神是高于人,低于仙的一个级别。(这当然是本人猜想。毕竟本人没见过神仙。)可能中间还隔着什么半仙或妖怪等级别。
                        好了。打住。
                        如果你接受上面的说法。那么合契若神就是一个修饰性的溢美之词。意思是说,地动仪的指示正确程度相当高。几乎没有出错的时候。(叫永动机闹得)。
                        列位看看本篇的开篇,第一条就是说地动仪不是万能地动仪。地动仪是按照某一类地震情形设计的检测仪器。自然对其它情形就不一定做到有效。如果当初是针对构造性地震。那么对于塌陷性的就未必可靠。
                        这就相当于你家的电视机。如果是专门接受PAL制式信号的电路,那么对于其它,像欧美地区等SECAM或NTSC信号就不行了。就算是符合该制式。也有不同。如果你是有线用户。面对加密的收费信号,同样有问题。不过这是另一个问题了。
                        总之地动仪的设计是面对某一类地震的情形设计的。在这一类上,是具有超过人的判断的准确性性的。这就是记载的合契若神的含义。
                        那么,地动仪是怎么做到的呢?
                        首先,这列的地震波应该具有相同的可测性。如果我们测量的量本身就是不确定的。那么久很难判断它。幸好,实际的情形可以让我们做到这一点。有一类地震波的机理和传播具有相当的一致性。经过传播以后,大地的吸收起到了滤除杂波的作用。而且此波的发生过程由及其相似。在极小的开始以后,立刻进入最大值,然后慢慢降低。开始后的波形有些像伪周期函数的图形。这为我们检测给了强大的理论基础。我们只要抓住最开始的部分不放过就能够得到十分准确的结果。如果每次都是如此,那就是合契若神。
                        相反如果你做不到,例如冯锐的共振发机模型,震动的天旋地转了还不肯发机,那就只能叨念50%了。这真是一般人的判断。要么对,要么错。就是啊,你还有不对不错的第三条路吗?


                        16楼2016-09-27 13:29
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