张衡地动仪复原养竹版终结篇(最新编辑).docxVIP

张衡地动仪复原养竹版终结篇(最新编辑)农夫复原的地动仪养竹版，从开始到现在的终结版已经整整一年过去了。期间虽说有过几次改动，但是总的思路和功能没有实质性的变化。只是努力朝着符合古人描述的方向去做，最终成为更加符合或接近原作品的复原之作。张衡的候风地动仪作为可以感知地震的精密仪器存在过是毋庸置疑的。由于原器和制作资料的灭失，现在的人们要想复原一个一摸一样的几近不可能。即使根据已有的记载去做，凭心而论，也是十分艰难的。现存的公认的资料是后汉书张衡传中关于地动仪的描写。其它的记述都没有超出这部分内容的。后汉书张衡传中关于地动仪的描写共有196个字。现在人们的复原都是依据这里面的描写去开发自己的潜力，力图恢复出当初的地动仪的大概的样子。这196个字的记述有些是可以变通的。例如那个精铜铸成的精铜。现今的人们会用到今天更常使用的材料去实现。估计就是张衡再世也不会拒绝使用更新更好用的材料的。要不是强调复古，完全不必理会这些对于记述上的改变。有一些虽然记述得看似详尽，要想得知其真更是不可能。例如那个“篆文山龟鸟兽”，你很难再现出当时器件上的情形究竟是哪些山龟鸟兽，它们有几个？都在什么位置？以及写了哪些篆文等等。但是，这些对于地动仪的性能和功能都不会构成重大的影响。真正的关键的记述是决定复原地动仪的成败的关键。好在这196个字中的记述认真详实的记录下地动仪的所有的关键部分。首先，地动仪是分为内外两部分的，外部的构造是为指示所发生的地震的方位而设立的。这部分的功能构件是“外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之”。那么龙究竟在何处为好呢？就是龙应该安排在什么位置上？如果把龙安排在尊桶上，不是不合理。安排了，那些山龟鸟兽就要画在各龙的缝隙中。篆文也不好安排。要是在龙之间画些祥云之类的还好，要是像塞夹缝似的，胡乱画些山龟鸟兽，这可能吗？这不符合中国人的审美观点。由此出发，这次农夫把整个尊桶的表面腾出来给山龟鸟兽，让八龙到尊盖上，不仅提高了龙的位置，也提高了龙的地位。此外尊盖上再不画其它的纹饰。龙的下方是一个完整的张衡要表现的画卷。这样的设计显得工整规矩。地动仪的内部是感知地震和发机驱动指示的各个装置。在这里196共用了如下的记述。“中有都柱，傍行八道，其牙机巧制，皆隐在尊中。”总共只有十八个字。字数之少让人感到迷茫。是记述有遗漏还是省略？或者干脆就是全部的内在部件？冯锐在研究后，认为这部分内容很可能是张衡本人的描述。我也比较倾向这种看法。字虽少，有些东西是可以分析推得的。有些是隐含在后文的。发动八个方向的机关这个首脑在它们的中间是再合适不过了。所以中有都柱是感震发机的部件是合理的判断。目前的研究表明，这钟部件的可能范围是非常窄的。要能灵敏的感知地震，有又要能自行恢复只有吊摆可以胜任。养竹版就是采用的这种办法。所不同的是这是一个经过特殊设计的摆。农夫称之为限幅尾椎摆。摆锤的最下方是施关处，是一个上宽下窄的细圆锥体。摆锤柱体近似圆柱体，下边沿有延出的边沿，用于巧制。全摆用一个圆柱面的立柱承之。上端是一个可以调整摆长的辘轳装置，定位孔处的吊线上实际的标画了21道色环，对应尾椎施关缝隙的宽度，调整后由锁定装置锁定。摆的尾椎深入到底座的上平面之下，为了和牙机的感受部分结合故而设计了八道。牙机巧制设计成两个比例环节。一个是倒T字型的牙机立杆。其上端是一牙机。其下的横档部分谓之关横杆。置于道中下部中央。牙机的另一半是牙机平杆。这是一端起于龙下颚的杠杆，支点的另一侧是刃口状的牙机。关横杆置于两根平行的巧制钩杆的中央的下方，皆在八道内部。整个部分由起于底座上的双臂立柱支撑，立柱的下部某处有牙机立杆的限位装置。总体上看这部分构件主要有三个子系统。一是都柱内的吊摆是感震系统。二是牙机部分是吐丸系统，三是巧制部分是反馈限制制动系统。再无多余之物。说完了构件部分，再说说功能部分。196在此描述为：“施关发机。一龙发机，七首不动。”发机好理解，就是去发动外龙吐丸。谁去发机呢？显然是中有都柱去发机。怎么才能发机呢？古人告诉我们是施关发机，就是先要搞好发机的部分，使之达到要求，就是所谓的施关。养竹版在这里的设计是在摆的尾椎附近设置八个关端，把尾椎围在当中。八个关端的长宽厚薄位置以及端面的倾斜程度都要得当。关端的伸出量至关紧要，一致性也格外重要。这些都有专门的计算文章，就不在这里细说了。这么做的好处是尽量利用摆长的优势，由于较细的柱体对发机有利，连带的好处是在调整尾椎位置时可以调整发机的灵敏度。整体装配得当时，可以获得最大的灵敏度和最好的可靠性。“一龙发机，七首不动”是说地动仪对地震的指示是确定的，不是含混的。一处地震当然不能指示出两处来，这不合理。要是两处以上同时地震，这可不是本仪器的指示范围。就是地动仪当初设计时不是为了同时几处地震一起报告的。这很简单，就是现实中没有这种地震密集的情况发生，因此不必考虑。但是还有一种情况需要说明，这就是在地动仪的两龙指示范围的边界上发震时如何处理的问题。这个情形是可能发生的。与其它办法不同，养竹版采用科学合理的办法处理它。农夫称之为“两龙并发，震发并中。”意思就是说，如果相邻的两条龙同时发动，那不是两个地方同时发震，而是在这两个区域的边界线上发生了地震。如果不这么处理怎么才合适呢？关于性能部分，196描述为“动地不觉”。地动仪已经有反应，人却没有察觉。冯锐在其研究中提到日本学者实测的浓美地震的数据，这个也是很多研究中涉及的。普通人感觉不到（敏感的人刚刚感觉到）的地震产生的水平临界加速度尽管各有差异，但是却相对集中。在通常理解的人群内，这是一个可以确定的数值。我采用的就是这个数值。a0=0.8cm/s2. 计算表明，当要求在同一情形下，吊摆有较大的摆动时，较长的摆长较有利。实际上受到各种因素的影响，不可能任意加大摆长。相反，只要符合要求，较小的摆长反而有利于制造等诸多方面。初步计算表明养竹版地动仪复原可以采取较短的摆长实现这个“地动不觉”的要求。在极其精密的结构下，摆长可以短于一米。在相对宽松的情况下也只需2米的摆长。在综合考虑后，养竹版采用接近2米摆长的设计，在有效提高性能和减低难度下，又不至于偏离196 的描述的情形。由于地动仪内部的构件不多，其又可以灵活安排和变形，所以整个器身无需做的十分粗大。其大小主要以适度排列八龙为主，其余可以不必考虑。按196 的“员径八尺”看，当时是计划一尺一龙的设计。八龙刚好八尺，围成一圈故而才有员径八尺的记载。这个尺寸对于制造难度，内部安排，仪器的稳固等都是做了适当的权衡的。即使是如此，如果做成上下一般粗时，地动仪不仅不美观，其稳固性也大打折扣。这正好解释了为什么要“盒盖隆起”或曰“其盖穹窿”。这后一句是另外的记载。这时，其盖穹窿到什么程度就很难说了。张衡显然考虑到各种因素，才做了这种设计。养竹版觉得下部太短，穹窿太过和相反都不可取。认为隆起三分之一较为合适。这也考虑了使用的便利性。有了摆长的确定，就可以确定施关部分了。按照a0=0.8cm/s2 计算，a0m=mgsin 0.8（cm/s2）=g sin=980(cm/s2）sinSin近似等于摆动的幅度/摆长。由此，可以求得摆幅=0.8/980摆长1.63（mm）。小于这个幅度就可以感知的地动仪就能做到“动地不觉”。养竹版地动仪的牙机, 脱扣发机吐丸的最小行程可以容易的做到0.01mm.考虑到防止误动作，可以兼顾的安排在0.070.03（mm）之间。如果采用的二倍放大，这个数值也可以适当的增加。比如0.13mm。要在行程的最后阶段来触发牙机，其前部的行程将安排做防止误动作、干扰等，这是一个延迟环节。(关于防止误动作应该保留的摆动幅度，我没有研究过，也不知道这方面的数据，因此保留了绝大部分行程用于防范误差。)在所有的关端正确安放后，改变（调整）摆长仍可以重新设定灵敏度而不需要改动其它部分。在使用性能方面，同样在196中有所体现。其如“声震激扬”和“令史官记地动所从方起。”前一个是说地动仪的声音提示。这是在落丸以后的位置变化以外的声音提示。落丸对应视觉，“振声激扬”是听觉。养竹版依然保留了开始的八音铜丸的设计没有改变。而后者则是易用的要求的体现。使用的史官只要把铜丸放回龙口，合上下颚即可恢复使用。结合前面的“覆盖周密无际”看，仪器在完成以后，进入使用阶段就再无打开的必要。养竹版就是按照这条要求设计了内外结合的牙机。牙机立杆是自恢复的装置，牙机平杆需人工闭合才能恢复。由于牙机斜面的设计使得，在合上龙下颚时，平杆的牙机推动立杆的牙机先后后仰又自行直立，进而锁住龙下颚，使得系统得以回复到初始状态。这个回复办法极其简单又十分可靠。养竹版复原的地动仪其外形是，下部分是一个汉代的温酒用的酒尊的外形，其外表面上绘有篆文山龟鸟兽之形，尊桶约占到整个高度的一半。另一半是上部隆起的尊盖。盖子的曲线在半圆之上，视觉上感受较好的那一种。盖子中央一个隆起的高柱形式，顶部有吊环。整体看上去有点像今天的某酒瓶的设计。龙口设计在尊桶的上沿，龙在尊盖上。这样便于安装内外贯通的牙机平杆。（不然就得采取分开设计的牙机平杆了）。蟾蜍设计在底座的延伸部分，不另外摆放。内部中央是一个高高的柱子。柱子的内