在小时候的语文课本中,有这样一篇课文《数星星的孩子》,讲述了童年时的张衡在数星星时发现了星星不是像奶奶说的乱动,而是在有规律地动。说起张衡,首先让大家想到的是他的地动仪,相当于张衡的代名词,但是关于地动仪,你真的知道它的原理吗?
地动仪是中国一代传世杰作,也是世界上的第一架测量地震地动仪,比西方第一台地震仪(由意大利人路吉·帕米里制造于1856年)早了1700多年,不过地动仪绝不是地震预测仪。它只有在地震发生之后才起作用,地动仪有八个方位,每个方位上均有口含龙珠的龙头,在每条龙头的下方都有一只蟾蜍与其对应。任何一方如有地震发生,该方向龙口所含龙珠即落入蟾蜍口中,由此便可测出发生地震的方向,但是其中原理并没那么简单。
据后来科学家解释,张衡对地震波的传播和方向性一定有所了解,并且在当时竟然已经懂得利用了力学上的惯性原理,“都柱”实际上起到的正是惯性摆的作用。这些成就在当时来说是十分了不起的。再说地动仪,我们知道地震时地动可以传到很远的地方,只不过太远了人就感觉不到了,但地动仪能准确地测到。就像我们点亮一支蜡烛,将它放在一张不平的桌子上,它总会向低的一方倒。地动仪就是根据这些简单的原理设计的。但是中国科学家认定地动仪的工作原理应该是“悬垂摆原理”,即地动仪是利用了一根悬挂柱体的惯性来验震的,而非当今历史教科书所说的在仪器底部简单地竖立一根直立杆。“都柱”是悬垂摆,摆下方有一个小球,球位于“米”字形滑道交汇处(即《后汉书·张衡传》中所说的“关”),地震时,“都柱”拨动小球,小球击发控制龙口的机关,使龙口张开。另外,冯锐模型还把蛤蟆由面向樽体改为背向樽体并充当仪器的脚。该模型经模拟测试,结果与历史记载吻合。那么,地动仪的内部结构究竟什么样子呢?有不少学者对此作过探讨。早在南北朝时,北齐信都芳撰《器准》,隋初临孝恭作《地动铜仪经》,都对之有所记述,并传有它的图式和制作方法。可惜的是唐代以后,二书均失传。而如今则以王振铎之研究影响最大。
王振铎根据前人的猜测,讨论了地动仪内部可能有的各种结构,最后推断都柱的工作原理与近代地震仪中倒立式震摆相仿。具体说来,都柱就是倒立于仪体中央的一根铜柱,八道围绕都柱架设。都柱竖直站立,重心高,一有地动,就失去平衡,倒入八道中的一道。八道中装有杠杆,叫做牙机。杠杆穿过仪体,连接龙头上颌。都柱倾入道中以后,推动杠杆,使龙头上颌抬起,将铜丸吐出,起到报警作用。地动仪用精铜制成,圆经八尺,合盖隆起,形似酒樽。表面作金黄色,上部铸有八条金龙,分别伏在东、西、南、北及东北、东南、西北、西南八个方向。龙倒伏,龙首向下,龙嘴各衔一颗小铜球,与地上仰蹲张嘴的蟾蜍相对。地动仪空腔中央,立一根铜柱,上粗下细。铜柱周围有八根横杆,称为“八道”,各与一龙头相连。铜柱是震摆装置,八道用来控制和传导铜柱运动的方向。在地动仪受到地震波冲击时,铜柱就倒向发生地震的方向,推动同一方向的横杆和龙头,使龙嘴张开,铜球下落到蟾蜍嘴中,并发出响声,以提示人们注意发生了地震及地震的时间和方向。一颗珠子放在平台上,如果将哪方稍微往下一按,珠于就向哪方滚动,其实跟蜡烛的原理一样。
难以想象,古人的智慧,真的无法估量!