地动仪原理

[color=#00008B]5月12日四川地震，牵动了全国民众的心。震感瞬间传至全国各地。一些网友认为，既然汉代就有“地震仪”，为什么依然无法预测地震呢？[/color] 　　也有网友指出，此前的“蟾蜍迁徙”已经预报了地震。动物真的能预报地震吗？ 　　问题1 　　张衡地动仪能记录地震吗？ 　　●地动仪无法记录发震时刻，更无法记录震级。因此，从现代地震学的角度来看，候风地动仪并不能记录地震，不是地震仪。 　　一些科技史著作声称，张衡在公元132年制造的“候风地动仪”能够准确记录地震，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。也有些材料说，候风地动仪可以“预测地震”。 　　不过，史书中有关候风地动仪的记载，仅见于《后汉书》。这一段记载只有区区196字，其中描述地动仪内部结构的内容更只有“中有都柱，傍行八道，施关发机”这12个意义隐晦、众说纷纭的字。以后，北齐的信都芳和隋朝的临孝恭，也都制造过地动仪，还留下了相关著作，可惜他们的著作都亡佚了。显然，仅根据《后汉书》中的简陋记载，要复原张衡的候风地动仪根本不可能。今天的复制品，其实是在史书那些“约束条件”之下所作的新创造。 　　尽管如此，《后汉书》的记载，还是向我们提供了一些有用信息。首先，候风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，只不过能比从驿卒更早地通知京城的人士罢了。这就好比我们看到闪电，就知道接下来很可能会听到雷声，但在闪电发生时，雷声也已经同时发生，只不过还没有传到我们耳朵里罢了。 　　其次，根据地震波的传播机理，候风地动仪是不太可能做到“验之以事，合契若神”的。地震发生时，从震源会发出两种波：一种叫P波，是纵波，它引起的物体震动方向和波的前进方向一致；一种叫S波，是横波，它引起的物体震动方向和波的前进方向垂直。P波的速度比S波快，因此最先到达地面，形成地震波中的初波。据初波的震动方向就可以知道震源方向。 　　但初波非常微弱，因为它只能从震源直直地向着地震波接收处地面传播的P波，而这部分P波携带的能量只占地震波全部能量的一小部分。如果候风地动仪能敏感到对“第一哨”初波就做出响应，那么足以有许多别的和地震无关的震动，比如在它附近跺脚，能引起它的反应，从而让人误把许多不是地震的震动也当成是地震。但如果要让候风地动仪保持一定的“迟钝”性，它又有可能无法“感觉”到地震的初波，直到之后的各种波陆续传来时才被“惊醒”，可是这些迟来的波的震动方向已经完全不能代表震源的方向了。 　　何况，记录一次地震必须有三个要素：发震时刻，震中位置和震级(地震强度)。候风地动仪只能记录震中方向。几台地动仪“联网”也可测出震中位置；但它却无法记录发震时刻，更无法记录震级。因此，从现代地震学的角度来看，候风地动仪并不能记录地震，不是地震仪，当然也就更不可能是“世界上第一台地震仪”了。

“地动仪早已失传，它是否具有监测地震的作用，也成了一个谜。”方舟子说，国内外不少专家根据《后汉书·张衡传》的简单描述，力图复原地动仪，但所有这些复原模型没有一个能够真正用于监测地震，不过是“艺术品”。方舟子说，在新的地动仪复原模型建成后，中国境内每年多次发生5级以上地震，在该地动仪复原模型监测范围之内，却从来没有听说该复原模型监测到哪怕一次。2008年的汶川大地震，北京有震感，也没有听说在北京展出的该复原模型检测到。方舟子还在文中对《后汉书·张衡传》所记载的地动仪预报的陇西地震的真实性提出质疑，称部分史料相互矛盾，怀疑那次地震是“为了说明地动仪的神奇而编造的故事”。方舟子说，没有任何记载能够证明在张衡之后，他发明的地动仪起过作用。“我们不必怀疑张衡曾经建造出一台叫候风地动仪的仪器，但是没有证据能够证明，也没有理由让人信服地动仪曾经发挥过验震的功能，它很可能和今人复原的那些模型一样，仅仅是个摆设。”

我国古代的科学技术成就我国古代的科学技术成就中，属于物理学或与物理学有关的，可以提出 力学、光学和声学等三个方面作一简要介绍。（１）力学方面 ①《考工记》一书中的有关记载。这是一本现存的有关我国古代手工业 技术规范的书籍，可能是春秋时代（公元前70０至４００年）末年的作品。 它记述了许多手工业的工艺制作与设施，汇集了至公元前３、４世纪时的工 程技术知识。其中包含的力学知识，主要有：关于惯性的记载、滚动摩擦的 论述、论箭的飞行与保持稳定，还记述了有关力的测量、斜面受力分析以及 材料和施工中的一些软科学知识。②《墨经》中有关力学知识的记载。《墨经》战国时代以墨翟（公元前 ４９０至４０３年）为首的墨家的代表作，分为“经”与“经说”两大部分。 经说是经的注解。前者的内容大多是一些定义性质的条文，后者则带有定律 的性质的解释。 《墨经》中的软科学知识已不全是实际生产知识的总结和记述，而是对 力学现象进行了粗浅的概括，并进行了一些推理论证。诸如，关于时空观念、 运动学知识、力的概念、力系平衡的论述，以及斜面、滑轮及其应用，等等。 现举一条关于杠杆的理论探讨以兹说明： 经下第２５条：“天（衡）而必正，说在得。” 经说：“（衡），加重于一旁，必捶（垂），权重相若也。相衡，则本 短标长，两相加焉，重相若，则标必下，标得权也。” 这一条说明了不等臂天平（秤）的平衡关系。可能是墨家探讨杠杆平衡 关系的实验总结，说明墨家发现杠杆定律较之古希腊的阿基米德要早二百多 年。但并没有阿基米德杠杆定理那样完整和定量化。③侯风地动仪。这是东汉张衡（公元7８至１３９年）所制的世界上第 一台地震仪。《后汉书张衡列传》上有下面一段记载：“（顺帝）阳嘉元年 （即公元１３２年），复造侯风地动仪。以精铜铸成，圆径八尺，合盖隆起， 形似洒尊，饰以篆文山龟乌兽之形。中有都柱，傍行八道，施关发机。外有 八龙，首衔铜丸；下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周 密无际。如有地动，尊则震，龙机发，吐丸而蟾蜍衔之，振声激扬，伺者因 此觉知。虽一龙发机，而七首不动。寻其方面，甩乃知震之所在。验之以事， 合契若神。自书典所记，未之有也。当一龙机发而地不觉动，京师学者咸怪 其无征。后数日驿至，果地震陇西。于是皆服其妙。自此以后，乃令史官记 地动所从方起”。 显然，这是一种测定震源方向的仪器。可惜，后来这架地动仪失传了。 我国考古博物学家王振铎在总结国内外学者复制研究工作的基础上，根据书 上的记载和力学原理满意地复制成功了侯风地动仪的复原模型，它主要是一 个利用了重心很高的“都柱”的不稳平衡。从这个仪器的制造来看，张衡已 利用了力学上的惯性原理，同时他对地震波传播和方向性也一定有所了解。 这些在当时来说都是十分了不起的。④记里鼓和指南车。这是三国时魏人马钧根据以前的记载模仿制成的两 种利用各种齿轮的复合运动传动的自动机构。记里鼓是利用原动齿轮带动大 小不同的一套从轮，使车轮转动把车行的里数自动地表示出来的一种装置。 指南车是利用一套能自动离合的齿轮系统的定向装置，使得立在车上的一个 木制人像的手永远指着固定的方向。关于这两种装置的结构，在刘仙洲教授 著的《中国机械工程发明史》第一编第五章中有较详细的介绍。 （２）光学方面关于光学知识的记载以《墨经》经下中的八条（１６至高无２３）最为 系统。其内容涉及影子生成的道理，本影和半影，由物体与光源的相对位置 确定影子的大小，光的直线传播实验，光的反射性和平面镜成像，凹面镜成 像，凸面镜成像等。它已触及了几何光学很大一部分，从时间上看要比古希 腊欧几里德注《反射光学》早一百多年，所以，《墨经》中的光学条文，不 仅是我国最早的光学著作，也是世界古代科技史上难得的各较全面的光学著 作。经下第１６条：“景不徙，说在改为。” 经说：“景：光至，景亡；若在，尽古息。”这一条是论述影的生成。 各家的解释在这一点上没有分歧。然而细致地推敲起来，又各有不同的见解。 主要是对于经说中的“若在”指的是“影在”，还是“物在”，有不同的理 解。经下第２２条：“鉴（洼），景一小而易，一大而正，说在中之外，内。” 经说：“鉴：分鉴；中之内，鉴者近中，则所鉴大，景亦大；远中，则 所鉴小，景亦小，而必正，起于中缘正而长其直也。中之外，鉴者近中，则 所鉴必大，景亦大；远中，则所鉴小，景亦小，而必易，合于中而长其直也。” 这一条讲的是凹面镜成像的规律。钱临照先生对此有很好的解释。他特 别指出，当时不是用一个光源和纸屏进行观察，而是人脸本身为物，以眼为 屏，所以在“一小而易”和“一大而正”之间不能发现“一大而易”的情况。 他并从而推断，经文中所说的"中"，是指从镜面的曲率中心到其焦点之间的 一段区域，而不是一个点。

http://www.sina.com.cn 2008年02月28日10:30 中国环境报 　　刘效仁　　据报载，由中石化与科威特国家石油公司合作、投资约50亿美元、号称“最大中外合资项目”的广州南沙炼化一体化项目，近日因不符合新开工条件，可能加重珠三角地区的大气污染，被14位广东省人大代表联名提请缓建。这一项目的相关规划环评至今未获得审批通过。事实上，方圆约8平方公里的项目用地2007年6月已被征用，居民全部动迁，并被列入广东2008年国民经济和社会发展计划，是重点建设的新开工项目。　　显然，环评未批就圈地动迁违反了国家的环境保护法律法规。土地已被征用，居民全部动迁；土地平整工程自2007年1月起展开；新镇政府也被迁往别处。种种迹象表明，这个项目“志在必得”。但2003年9月1日起施行的《环境影响评价法》第二十五条规定，“建设项目的环境影响评价文件未经法律规定的审批部门审查或者审查后未予批准的，该项目审批部门不得批准其建设，建设单位不得开工建设”。这一项目至今未获环评审批，就意味着批准、不予批准或建议修改后再予以审批等多种可能。既然尚未确定，甚至可能遭到否决，那么项目一旦环评通不过，如此大面积的征地和动迁将造成巨大的经济损失。　　这个项目通不过环评审批的概率似乎更高。南沙区位于广州市最南端，项目不远处正是稀有的大片湿地资源，现已建成大型湿地公园，数千种鸟类以及红树林等稀有植物在此繁衍生息。不仅如此，《广东省环保规划纲要(2006－2020)》还曾明确提出，南沙为生态脆弱区和环境敏感区，要避免布设大型炼油、石化和钢铁等污染物排放量大的项目。广州市发改委今年1月公布的相关规划显示，南沙石化基地等石化项目可能带来水污染、大气污染、固体废弃物污染以及生态破坏等。　　广州历来处于改革开放的前沿，这个“最大中外合资项目”环评未批就圈地动迁，与当地政府坚持人与环境和谐发展的理念颇为不符。此举不仅违反了环评法第十五条的规定，而且与第二十一条“建设单位应当在报批建设项目环境影响报告书前，举行论证会、听证会，或者采取其他形式，征求有关单位、专家和公众的意见”相违背。据悉，凭此项目，广州规划到2020年，原油综合加工能力达到4000万吨/年，乙烯生产能力达到200万吨/年。按石化项目对下游产业有1∶16的带动效应，50亿美元投资则将带动900亿美元。在如此诱人的巨大利益蛋糕面前，环评未批就圈地动迁，以“既成事实”(包括已付出的巨大经济成本)向国家审批部门施压，谋求审批机构的“倾斜”，早成了一种只可意会不可言传的“韬略”。　　环评法第三十一条规定:“建设项目环境影响评价文件未经批准或者未经原审批部门重新审核同意，建设单位擅自开工建设的，由有权审批该项目环境影响评价文件的环境保护行政主管部门责令停止建设，可以处5万元以上20万元以下的罚款，对建设单位直接负责的主管人员和其他直接责任人员，依法给予行政处分”。这个“最大中外合资项目”环评未批就圈地动迁，最后将被有关部门如何处置，我们不妨拭目以待。

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